PROPIEDADES TERMICAS DEL AGUA Y DEL VAPOR El gran interés en el uso del agua caliente y del vapor en los procesos de recuperación térmica de petróleo, radica en las excelentes propiedades térmicas del agua, bien sea en su estado líquido o de vapor y en la abundancia de ella sobre la tierra. Un cabal entendimiento de las propiedades térmicas del agua, es por tanto, básico para la efciente utilización de la energía calorífca en tales operaciones.
TEMPERA TEMPERATURA TURA DE SATURAC SATURACION ION DEL AGUA AGUA Es la temperatura a la cual se produce la ebullición !vaporización" del agua a una determinada presión. #ambién se le denomina punto de ebullición y aumenta al aumentar la presión. $a temperatura de saturación puede obtenerse de valores tabulados en tablas de uso com%n, &in emba embarg rgo, o, en muc' muc'as as ocas ocasio ione nes s es más más prác prácti tico co el uso uso de ecua ecuaci cion ones es senc sencil illa las s para para su estimación. estimaci ón. (arouq )li derivó la siguiente siguien te ecuación
&i se usa el sistema internacional de unidades se puede usar la correlación de &an*ord y +oss válida entre
CALOR ESPECÍFICO DEL AGUA Y DEL VAPOR &e defne por calor específco a la capacidad que tiene una sustancia para absorber calor y se mide mide como como el n%me n%mero ro de #U #U neces necesar ario ios s para para aume aumenta ntarr la temp temper erat atura ura de una una libr libra a de sustancia sustancia en -(. Es evidente evidente que entre entre mayor sea el calor específco específco de una sustancia, sustancia, mayor será la cantidad de calor que debe absorber para que se produzca un determinado aumento de temperatura y por lo tanto mayor será la cantidad de calor liberado al en*riarse. En general, el calor calor específco específco de una sustancia no es constante, constante, al contrario contrario depende depende de la temperatura temperatura a la cual se mide. Excepto por el amoníaco líquido, el agua es el líquido con mayor calor específco )sí, el agua es capaz de contener y transportar más calor que cualquier otro líquido a la misma temperatura. /ara el vapor, el calor específco es muc'o menor, del orden de y al igual que el del agua, varía muy poco con la temperatura, por lo que para propósitos prácticos puede considerarse constante.
CALOR SENSIBLE DEL AGUA Es el calor necesario para aumentar la temperatura del líquido 'asta alcanzar la temperatura de saturación correspondiente a una presión dada. 0uando un líquido se lleva a condiciones de saturación, se encuentra en su máxima capacidad energética en esa *ase. Esta *orma de energía aumenta con la presión, es decir, a mayor presión del sistema, la energía de un líquido saturado es mayor.
0onsiderando la entalpía !contenido de calor" del agua igual a cero a 12 ( !30" y suponiendo que el calor específco del agua no varía con la temperatura, el calor sensible puede calcularse mediante la siguiente expresión
El valor del calor sensible se puede leer en las tablas de vapor o estimar mediante la ecuación
CALOR LATENTE DE VAPORIZACION Es la cantidad de calor que debe suministrársele a una libra de un líquido a la temperatura de saturación para pasar al estado de vapor. Es el calor que lleva el vapor, y esta *orma de energía disminuye con la presión, es decir, a mayor presión del sistema la energía del vapor saturado es menor. El calor latente de vaporización del agua puede leerse de tablas de vapor o determinarse mediante la siguiente ecuación
CALOR TOTAL O ENTALPIA DEL VAPOR SECO Y SATURADO Es la suma del calor sensible del agua saturada y del calor latente de vaporización del agua, es decir, que es la cantidad de calor contenido en una libra de vapor seco a la temperatura de saturación !constituye la entalpía del vapor seco y saturado". 4ado que la entalpía del vapor seco y saturado depende del calor sensible y del calor latente de vaporización, entonces el calor total también depende de la presión y viene dado por la ecuación siguiente
$a entalpía del vapor seco y saturado puede leerse de tablas de vapor o estimarse mediante la siguiente ecuación
CALIDAD DEL VAPOR Y VAPOR HÚMEDO
) la temperatura de saturación, el agua puede coexistir en estado líquido y en estado de vapor, dependiendo de su contenido de calor, es decir, de su entalpía. $a mezcla de vapor y agua coexistentes a la temperatura de saturación, se denomina 5apor 6%medo y se caracteriza por el contenido de vapor en la mezcla, expresado como *racción del peso total, es decir, por su calidad. )sí, el vapor seco y saturado tiene una calidad de -337 puesto que no existe agua en estado líquido8 mientras que el agua saturada puede considerarse como vapor '%medo con calidad igual a 37. )l vapor con calidades entre estos extremos se le denomina simplemente, vapor '%medo. $a entalpía o contenido de calor del vapor '%medo depende *uertemente de la calidad, especialmente a ba9a presiones, donde la entalpía del agua saturada es ba9a. 4ado que la entalpía del vapor '%medo es intermedia entre la del agua saturada y la del vapor seco y saturado, esta viene dada por la relación
0on la reducción de la calidad, la contribución del calor latente al contenido de calor del vapor '%medo se reduce. :ormalmente, el vapor que se utiliza en los procesos de inyección de vapor es '%medo, ya que puede transportar más calor que el agua caliente y además es capaz de mantener en solución las impurezas sólidas que de otra manera se depositarían en las calderas o en cualquier otro equipo del sistema de generación de vapor, reduciendo así su efciencia y vida %til. Una calidad del vapor entre ;3 y <37, expresada en porcenta9e, es el valor promedio que normalmente se utiliza en inyección de vapor. &in embargo, tales ci*ras pueden variar de acuerdo a las propiedades del agua usada y al tratamiento al cual 'a sido sometida.
ENTALPIA DISPONIBLE &i el vapor a una presión ps !temperatura #" es inyectado a un yacimiento de temperatura #rs, entonces la entalpía disponible para calentar el yacimiento viene dada por
VOLUMEN ESPECÍFICO &e refere al volumen ocupado por la unidad de masa de una sustancia a determinadas condiciones de presión y temperatura. El volumen específco del vapor '%medo se calcula mediante la siguiente ecuación
) ba9as presiones, el volumen específco del agua saturada es despreciable en comparación con el volumen del vapor seco y saturado, por lo cual la ecuación 1.-3 se aproxima a (arouq )li determinó expresiones que permiten 'allar el volumen específco del vapor seco y saturado y del agua saturada para presiones comprendidas entre -= y -.333 lpca, con un error máximo del -,27. Estas ecuaciones son
DENSIDAD DEL VAPOR $a densidad del vapor seco y saturado puede ser determinada de las tablas de vapor usando valores del volumen específco del vapor seco y saturado !considerando que la densidad en
del /ara presiones de 'asta -.333 lpca, la densidad del vapor seco y saturado puede ser determinada mediante la siguiente ecuación derivada por (arouq )lí
VAPOR SOBRECALENTADO &e sabe que a una presión dada el vapor tiene una temperatura de saturación defnida. &in embargo, es posible aumentar su temperatura por encima de la de saturación, agregando calor al vapor seco y saturado. a9o estas condiciones, el vapor se denomina 5apor &obrecalentado. En aplicaciones industriales el uso del vapor sobrecalentado es venta9oso8 sin embargo, está en duda si tal tipo de vapor es de uso venta9oso en recuperación térmica, por lo menos mientras se utilicen los tipos de generadores disponibles en la actualidad. 4ado el ba9o valor del calor
específco del vapor sobrecalentado la contribución al contenido total de calor de ciertos grados de sobrecalentamiento, no 9ustifca el uso de vapor sobrecalentado en operaciones térmicas petroleras. &in embargo, el uso del vapor sobrecalentado en estas operaciones térmicas tiene sus venta9as si se consideran las pérdidas de calor a través del 'oyo del pozo.
CORRELACIONES DE EJIOGU Y FIORI E9iogu y (iori, basados en los traba9os de (arouq )li, >ones, 0ox y 0'esnut, desarrollaron un nuevo grupo de correlaciones para estimar las propiedades del agua y del vapor, para presiones comprendidas entre =33 y 2.=33 lpca. $as constantes en estas ecuaciones *ueron calculadas mediante análisis de regresión y los valores de las nuevas correlaciones *ueron comparados con valores de las tablas de vapor de la )&+E =. /ara cada propiedad dada, se calculó la desviación estándar de cada correlación y se seleccionó la correlación con menor desviación. Estas correlaciones se muestran en la tabla. ) continuación se presenta el siguiente e9emplo utilizando las ecuaciones de E9oigu y (iori.
&e está inyectando vapor de ;37 de calidad a una presión de ?=3 lpca en cierto yacimiento, a través de la tubería de revestimiento. &i la presión del vapor en el *ondo del pozo es de @33 lpca y las pérdidas se estiman en un A@7 del calor inyectado, calcular la calidad del vapor *rente a la arena productora. &B$U0CB: -.D 0alor total en la superfcie
DETERMINACION DE LA CALIDAD DEL VAPOR: $a calidad del vapor es un valor di*ícil de determinar con exactitud. En la actualidad, existen varios métodos para medir la calidad del vapor, sin embargo, no existe ninguno que pueda considerarse simple y preciso. Entre los más utilizados se pueden mencionar los siguientes
METODO DEL SEPARADOR: /uede considerarse como el más simple y se basa en la defnición de calidad. &e puede utilizar un recipiente cilíndrico, 'orizontal o vertical, aislado con el fn de separar la *ase vapor de la *ase líquida, tal como un separador de petróleo y gas. $as medidas de las tasas de u9o por peso de las dos *ases cuando éstas de9an el separador, dan una indicación directa de la calidad. 0ualquier método para medir el u9o de las dos *ases puede resultar aceptable. )lgunas instalaciones utilizan medidores de orifcio en ambas líneas, sin embargo, un medidor de desplazamiento positivo o un medidor de turbina en el lado del líquido puede resultar satis*actorio, si se realizan las correcciones por temperatura. /ara calcular la calidad del vapor, la tasa de u9o másica del vapor se divide entre la suma de las tasas de u9o másica de las corrientes de agua y vapor. &i la unidad generadora de vapor opera ba9o condiciones de u9o continuo !como generalmente lo 'acen", la calidad puede 'allarse dividiendo la tasa másica de vapor en el separador por la tasa másica de agua entrante. )lgunos generadores comerciales tienen separadores a fn de determinar la calidad.
METODO DE LOS CLORUROS: &e 'a mencionado que una de las razones por las cuales se usa vapor '%medo en recuperación térmica, es con el fn de prevenir la *ormación de escamas en las calderas debido a la deposición de sólidos disueltos. Estos sólidos presentes en el agua de alimentación se concentran en la porción líquida de la descarga del generador y sirven para proveer una medida del porcenta9e de la alimentación a%n en *ase líquida. El ión cloruro 0l, constituye un instrumento conveniente para esta medición. /or medio de titulación química, la concentración del ión cloruro en la parte líquida del vapor se compara con la concentración del mismo ión en el agua de alimentación. $uego, la calidad del vapor viene dada por F G -33 D!70l en el agua de alimentaciónH70l en parte líquida" x-33
$a conductividad eléctrica del agua depende de la concentración de sales disueltas en ella. 4eterminando el incremento de la conductividad entre el agua de alimentación y la parte líquida del vapor a la descarga de la caldera, se puede determinar la calidad del vapor mediante la ecuación
X = 100 – ! "# $%&$ '" $()*"#+$,)-# . ! "# ($ /$+" (2&)'$ '"( 3$/456100 4onde I es la conductividad eléctrica. Este método es similar al método de la determinación de los cloruros, excepto que se toman en cuenta todas las sales disueltas, en lugar de solamente los cloruros. &in embargo, el método de la conductividad no es correcto si el bicarbonato de sodio, :a60B, está presente en el agua de alimentación. El bicarbonato de sodio se descompone en :a0B1 ó :aB6, los cuales tienen conductividades di*erentes. Este error se corrige neutralizando la solución.
METODO DEL MEDIDOR DE ORIFICIO $a calidad del vapor puede ser determinada por medio de un medidor de orifcio si se conoce la tasa de u9o de vapor. :ormalmente, las unidades generadoras de vapor son diseJadas para operar ba9o condiciones de u9o continuo y la tasa de agua entrante puede determinarse por una simple medición.
E7"*/(4:
MEDICION DEL FLUJO DE VAPOR $a medición del u9o de vapor en aplicaciones de campo es complicada, dado que la medición debe ser realizada en la región biD*ásica. Existen correlaciones adecuadas para medir el vapor saturado o sobrecalentado, pero que no se aplican cuando la calidad del vapor es in*erior a <37. En tratamientos de un solo pozo, el volumen de vapor inyectado en el pozo es igual al volumen de agua que alimenta el generador. El volumen de agua de alimentación es *ácil y exactamente medible. El vapor inyectado a un solo pozo se calcula midiendo la caída de presión di*erencial a través de un orifcio o boquilla !nozzle". $a (igura 1.= ilustra la conexión de la celda de presión di*erencial a la línea de vapor. &in embargo, cuando el vapor se divide !KsplitL" para inyectarlo en
varios pozos desde un generador o banco de generadores, es di*ícil determinar el u9o de vapor inyectado a cada pozo.
DISTRIBUCION DEL VAPOR Una vez que el vapor 'a sido descargado del generador de vapor, él es transportado al cabezal del pozo. $a distancia del generador al cabezal del pozo es pequeJa si se usa un generador portátil o considerable si la generación se e*ect%a en una localización central y de allí se distribuye a m%ltiples pozos. Cdealmente, es pre*erible tener distancias cortas desde el generador a los pozos, ya que se disminuirían las pérdidas de calor y las condiciones de diseJo serán mínimas. &i la distancia del generador de vapor al cabezal del pozo excede de unos -33 pies, las consideraciones de diseJo se multiplicarán.
