FORMATO OFICIAL DE MICRODISEÑO CURRICULAR FACULTAD: INGENIERÍA PROGRAMA: PETRÓLEOS NOMBRE DEL CURSO: LABORATORIO DE PROPIEDADES DEL PETRÓLEO PRÁCTICA DE LABORATORIO: N°1 DE 10 PRÁCTICA A REALIZARSE SEGÚN LA NORMA ASTM (D 287 – 82) NOMBRE DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO:
DETERMINACIÓN DE LA GRAVEDAD API Y LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DEL PETRÓLEOS CRUDOS Y DERIVADOS DEL PETRÓLEO (MÉTODO DEL TERMOHIDRÓMETRO) 1. JUSTIFICACIÓN La compra y venta del crudo depende de su calidad, la cual representa el peso y la complejidad del mismo, para su refinado y posteriormente su salida al mercado, es decir, que si un crudo es muy liviano, su refinado va a ser relativamente barato, y viceversa, por eso la unidad de medida que representa la calidad de un crudo es la escala API (American Petroleum Institute), la cual se determina directamente por medio del uso de un termo hidrómetro. La gravedad API tiene una relación inversamente proporcional a la gravedad específica, la cual se define como la relación entre las densidades de un fluido problema con respecto a un fluido de referencia (el fluido de referencia para los líquidos es el agua y para los gases es el aire) este parámetro varia con la temperatura y generalmente en la industria petrolera, se reporta a 60°F (15.56°C).. En la industria petrolera la gravedad API y la gravedad específica están dadas a unas condiciones estándar ya establecidas de 60 ° F (15.556 ° C) y su utilidad en la industria radica en el control de las operaciones de refinería. La gravedad API también nos ayuda a identificar el tipo de derivado del petróleo que se tiene, como por ejemplo: los productos parafínicos tienen gravedades específicas más bajas y po ende gravedades API más altas que las de productos nafténicos o los aromáticos en el mismo rango de ebullición. 2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVOS GENERALES Determinar la gravedad API de crudos y sus derivados por medio del hidrómetro. Determinar la gravedad especifica de una muestra de crudo con la utilización del picnómetro. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Corregir por medio de tablas la gravedad API. Aprender a corregir la gravedad especifica por formula 3. MATERIALES Y REACTIVOS
Hidrómetros Termómetros ASTM Probetas de tamaño apropiado Baños de temperatura Picnómetros Aceites
4. MARCO TEÓRICO 4.1. GRAVEDAD ESPECÍFICA 4.1.1. Definición. La gravedad especifica o densidad relativa es una de las propiedades físicas de los crudos y sus derivados. Está definida como la relación entre la densidad de una sustancia y la del agua, tomando ambas densidades a la misma temperatura y en las mismas unidades; es por lo tanto un valor adimensional. La gravedad especifica fue, en los primeros años de la industria, una de las mas importantes especificaciones de crudos y productos petrolíferos; se le consideraba como un índice de la cantidad de gasolina y kerosene presentes en ellos; en tanto que la industria trabajó con un solo tipo de crudo, las relaciones fueron aproximadamente correctas, pero a medida que se descubrieron petróleos de otras propiedades, desapareció el significado de los valores de la gravedad especifica; sin embargo todavía hoy en día ciertos petróleos se evalúan y diferencian por sus gravedades especificas, como ocurre entre parafínicos y nafténicos. 4.1.2. Efecto de la Temperatura sobre la Gravedad Específica. La variación de la gravedad específica con la temperatura, es decir, el coeficiente de expansión, es una característica de gran importancia técnica en la industria, puesto que la mayoría de los productos petrolíferos se venden por volumen a una temperatura estándar universalmente establecida y las gravedades específicas se miden usualmente a temperatura de laboratorio. La temperatura estándar para la venta, análisis y procesamiento de crudos y derivados es la de 60°F ó 15.556°C, representada con una T mayúscula. Es bien conocido por todos que la gravedad específica disminuye con el aumento de la temperatura y viceversa; aumenta con la disminución de la temperatura. Como este cambio es grande en crudos y derivados se hizo necesario desde principios de la industria desarrollar formulas y gráficos que permitiesen calcular estas variaciones; y por lo tanto hacer su corrección cuando se conoce su valor a temperaturas diferentes a 60°F. Quizás una de las mas empleadas es la desarrollada por Bearce & Peffer (recomendada por la ASTM y la API), la cual permite predecir con cierta exactitud la gravedad especifica a otra temperatura cualquiera que sea, cuando ya se conoce su valor a una temperatura dada.
γ t = γ T − α (t − T ) + β (t − T )2
Donde: γt Gravedad específica a cualquier temperatura. γT Gravedad específica a condiciones estándar. α y β Constantes de expansión. t Temperatura de prueba en ºC. T 15.556ºC Los investigadores Bearce & Peffer calcularon varios valores promedios para α y β, cuatro de los cuales aparecen en la tabla dada a continuación. Para valores intermedios se puede hacer la interpolación lineal pertinente. Los valores de β son tan pequeños que se desprecian en la mayoría de los casos, excepto para grandes cambios de temperatura ó en trabajos científicos de alta precisión. Para gravedades especificas mayores de 0.95, se pueden usar los coeficientes α y β correspondientes a esta gravedad, sin cometer mayor error. “Coeficientes de expansión para gravedad especifica” γT 0.63 0.78 0.85 0.95
α/C x 10-5 97 75 68 66
β/C2 x 10-7 -4 0 1 3
4.1.3. Comportamiento y Cálculo de la Gravedad Específica en Mezclas de Aceite. La gravedad específica es una propiedad aditiva, por lo tanto cuando se mezclan aceites de diferentes gravedades específicas, la gravedad de la mezcla resultante se puede determinar aplicando la media aritmética ponderada. Para poder aplicar la media aritmética todas las gravedades deben estar a la misma temperatura a la cual se desea la mezcla y los volúmenes deben estar expresados en las mismas unidades. Entonces, la formula general será: n
γm =
∑γ v i =1 n
∑v i =1
Donde: γi Gravedad específica del aceite i. vi Volumen del aceite i.
4.2. GRAVEDAD API
i i
i
La gravedad API es una escala arbitraria de valores, empleada en la industria del petróleo, para indicar la gravedad específica de crudos, hidrocarburos y derivados líquidos únicamente relacionada con ella por medio de una formula experimental, cuyos parámetros han sufrido pequeños cambios con el correr de los tiempos. Por otra parte, el petróleo crudo es una mezcla compleja de hidrocarburos de gran variedad de pesos moleculares; las proporciones que se hallen dichos complejos dentro de él determina sus características; en lo referente a la compra y venta del crudo, su valor depende de la calidad que éste presente, ye que esta influye de manera significativa para su salida del mercado y refinamiento requerido. Si es un crudo muy pesado su refinamiento resulta ser más costoso que el tratamiento de un crudo liviano, de esta situación se hace necesario crear una unidad de medida que nos represente la calidad del mismo. Una de ellas y que actualmente se utiliza en la industria del petróleo es la escala API (American Petroleum Institute), su medida se denomina gravedad API y es una escala dada en grados, medida directamente por medio de un termohidrómetro al flotar libremente en el crudo. La gravedad API se relaciona con la gravedad específica por medio de las siguientes ecuaciones: 141.5 º API T = − 131.5
γT
γT =
141.5 131.5+ º API T
4.2.1. Variación de la Gravedad API con la Temperatura. La gravedad API aumenta al incrementarse la temperatura; la ASTM elaboró una tabla que sirve para determinar de forma rápida las variaciones de la gravedad API con los cambios de temperatura. Esta tabla permite conocer el valor de la gravedad API a cualquier temperatura si se conoce su valor a 60°F (esta última se llama corrección de la gravedad API por temperatura). 4.2.2. Comportamiento de la Gravedad API en Mezclas de Aceites. La gravedad API por ser una relación de carácter empírico no es una propiedad aditiva, por lo tanto no existen formulas para hallar la gravedad API en mezclas de aceites, en estos casos lo que se puede hacer es convertir las gravedades API en gravedades especificas y proceder como se indicó en la sección de determinación de gravedades especificas de mezclas. 5. PROCEDIMIENTO 5.1.
Ajuste la temperatura de la muestra. Los valores de la mezcla de acuerdo con la información dada en la tabla 1.
Tabla 1. Condiciones límites y temperaturas de prueba.
Tipo de Muestra
Límites de Gravedad
Límites del Punto de Ebullición Inicial
Altamente volátil > 70 ºAPI Moderadamente volátil < 70 ºAPI Moderadamente volátil y < 70 ºAPI viscoso
< 250ºF (120ºC) < 250ºF (120ºC)
No volátil
< 250ºF (120ºC)
Mezclas de productos no hidrocarburos o hidrocarburos puros
< 70 ºAPI
Otros Límites
Temperatura de Prueba
Enfríe a 35ºF (2ºC) Enfríe a 65ºF (18ºC) Viscosidad Caliente a la alta a 65ºF temperatura mínima (18ºC) para fluidez suficiente Cualquier temperatura entre 0 y 195ºF (-18 a 90ºC) 60 +/0.25ºF (15.56+/- 0.1ºC)
5.2.
Transferir la muestra de prueba (crudo, gasolina, ACPM, aceites lubricantes; etc.)a una probeta cilíndrica totalmente limpia; sin salpicar, evitando la formación de burbujas de aire y reduciendo de esta manera a un mínimo la evaporación de los constituyentes más livianos de las muestras más volátiles. Remover algunas burbujas de aire formadas, una vez ellas estén recolectadas sobre la superficie de la muestra, utilizando un pedazo de papel filtro limpio antes de introducir el termohidrómetro dentro de la probeta.
5.3.
Puesta la muestra en el cilindro en una posición vertical en un lugar libre de corrientes de aire. Garantizar que la temperatura de la muestra no cambie considerablemente durante el tiempo necesario para terminar la prueba; durante este período, la temperatura del medio circundante no debe cambiar más de 2°C (5°F).
5.4.
Introducir suavemente el hidrómetro en la muestra. Tener cuidado para evitar humedecer la base por encima del nivel cuando sea sumergido en el líquido. Continuamente mover la muestra con el termómetro, teniendo cuidado que el bulbo de mercurio esté completamente por encima del nivel de inmersión. Mientras tanto vaya continuamente leyendo los registros de temperatura de la muestra mas cerca de 0.25°C (0.5°F) y luego quitar el termómetro
5.5.
Bajar el hidrómetro casi dos divisiones en su escala dentro del líquido, y luego libérelo. El resto de la base del hidrómetro, el cual está por encima del nivel de líquido, mostrando partes secas innecesarias de líquido sobre la base afectando las lecturas obtenidas. Con muestras de bajas viscosidades, dar un ligero giro al hidrómetro liberándolo para asistir en ocasiones. Dejar suficiente tiempo para que el hidrómetro llegue a un estado de reposo, y para que todas las burbujas de aire lleguen a la superficie. Esto es particularmente necesario en el caso de las muestras más viscosas.
5.6.
Cuando el termohidrómetro se deje en reposo, flotando libremente alejado de la pared del cilindro, y cuando la temperatura de la muestra sea constante a 0.2°F (0.1°C), lea la escala del termohidrómetro. La lectura correcta del termohidrómetro es el punto en el que la superficie principal del líquido corta la escala de aforo del termohidrómetro. Seguidamente saque el lentamente el termohidrómetro para leer la temperatura en el termómetro que viene en el mismo, tenga cuidado de no sacar
totalmente el termohidrómetro de la muestra procurando dejar el bulbo dentro de ella. 5.7.
Si el liquido de muestra es claro (gasolinas, aceites lubricantes, ACPM, entre otros) haga la medición directamente; si es oscura (crudo), saque el termohidrómetro dejando el bulbo dentro de la muestra, limpie la superficie y lea la temperatura 2 ó 3 veces y reporte el valor promedio.
5.8.
Al mismo fluido de prueba, haga la medición de la gravedad especifica 60°F / 60°F, por medio del gravímetro el cual está estandarizado para dar dicha medición a condiciones estándar.
5.9.
Reporte los datos de gravedad especifica y gravedad API tanto a la temperatura de laboratorio como a la corregida por medio de tablas a la temperatura estándar.
6. CORRECCIÓN DE LA GRAVEDAD 6.1. CORRECCIÓN DE LA GRAVEDAD API POR TABLAS La tabla a utilizar para este fin es la #5 de la ASTM y el procedimiento es el siguiente: 6.1.1. Entre en la tabla en la columna de gravedad API a temperatura observada y busque el valor de gravedad API obtenido. 6.1.2. Ahora por la columna busque el valor en °F a la cual se realizó la prueba. 6.1.3. Proyecte las dos columnas y lea la gravedad API correspondiente al punto de corte entre las dos proyecciones. 6.1.4. En algunos casos los valores observados están entre dos valores de las tablas, para hallar estos valores se necesita hacer una simple interpolación lineal. 7. CUESTIONARIO 7.1.
¿Cual es la repetibilidad y reproducibilidad en esta determinación?
7.2.
¿Que se entiende por gravedad especifica 60/60 y 100/60?
7.3.
¿Que efectos tienen las burbujas de aire que se mezclan con el liquido al llenar la probeta para determinar la gravedad API?
7.4.
¿Como varia la gravedad especifica con la temperatura y el peso molecular?
7.5.
¿Explique como se calcula la gravedad API seca de un crudo, la gravedad específica de una mezcla de agua y crudo si se conocen las fracciones de ambos y la gravedad seca del crudo?
7.6.
Si tenemos un crudo A de gravedad especifica de 0.874 a una temperatura de 85°F, un crudo B de gravedad especifica de 0.921 a una T = 83°F y un crudo C de gravedad especifica de 0.813 a una T = 90°F. Determinar: La gravedad especifica de la mezcla y la gravedad API de la mezcla a condiciones estándar. Cuanto crudo de A y B se necesita para obtener 500000 barriles de un crudo con gravedad especifica de 0.84 a partir de 12000 barriles de un crudo C.
8. DIAGRAMA DE FLUJO 8.1 CORRECCIÓN DE LA GRAVEDAD API POR MEDIO DE TABLAS
Inicio
Tabla número 5 de la ASTM = T5 Temperatura de la sustancia en el laboratorio = TL Gravedad API obtenida en la practica= °API p
Busque la T5, en las columnas °API p y a la TL en las filas,
NO
Se interpola el valor de la TL
SI
TL esta en una fila
NO
Se interpola el valor de la °API
°API esta en una columna
SI
justo en la intersección entre la fila y la columna se encuentra la °API especifica. fin
DETERMINACIÓN DE LA GRAVEDAD API POR MEDIO DEL MÉTODO DEL TERMOHIDRÓMETRO Y DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA POR MEDIO DEL GRAVÍMETRO Inicio Llene la probeta con la muestra y retire las burbujas de aire de la superficie
Deje reposar durante 5 minutos 1 Sumerja lentamente el termo-hidrómetro
1
SI
La escala flota
NO
Cambie el termo-hidrómetro por otro más adecuado.
El termo-hidrómetro toca fondo
NO
NO
El termo-hidrómetro flota libremente
SI
Cambie el termohidrómetro por otro más adecuado.
SI
1 1
Lea la gravedad API como punto en el cual la superficie del liquido intercepta la escala del termo-hidrómetro
Cambie el termo-hidrómetro por otro mas adecuado.
Lea varias temperaturas en el termómetro cuando el bulbo este en contacto con el liquido y promedie el resultado. 2 Sumerja lentamente el gravímetro
NO
2
SI
La escala flota
Cambie el gravímetro por otro más adecuado.
NO
NO
El gravímetro flota libremente
El gravímetro toca fondo
SI
Cambie el gravímetro por otro mas adecuado.
SI
2 2
Cambie el gravímetro por otro mas adecuado.
Lea la gravedad especifica como punto en el cual la superficie del liquido intercepta la escala del gravímetro fin
CORRECCIÓN DE LA GRAVEDAD API POR MEDIO DE FÓRMULAS Inicio
GT= gravedad especifica normal Gt = gravedad especifica a cualquier tem... Temperatura de prueba en °C= t Constantes de expansión = A y B T = 15.556 °C = 60 °F
Suponer un GT para tener las constantes de expansión
NO
Interpolar o extrapolar
A Y B están en la tabla directamente
SI
Gt = GT – A (t – T) + B [(t – T) al cuadrado]
Despeje GT y compárelo con el que supuso, la diferencia entre ellos 0.01 fin
9. BIBLIOGRAFÍA
ASTM Standard on petroleum products and lubricants (ASTM D 287 – 93), 1994 Mc.Cain, William D. The properties of petroleum fluids. Penn Well Publishing Co 1988. WENELSON, Petroleum Refinery Engineering 1969
