TEMA 1 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL GAS NATURAL MSC. ING. ROGER ALEXANDRO HUANCA CHAMBI
INTRODUCCION
El cálculo de las propiedades físicas del gas natural y sus condensados representa la base para la elaboración de los proyectos técnicos. Estas propiedades se pueden calcular a un nivel riguroso por medios computarizados o por medio de fórmulas, correlaciones, graficas o cartas con un nivel de aproximación aceptable. De todas formas se recomienda el uso de métodos manuales cuando no hay disponibilidad de medios computarizados.
CALCULO DE PROPIEDADES
Para ejecutar los cálculos de propiedades físicas se requiere información del gas mismo a tratar. Existen dos maneras de efectuar los cálculos:
1) Cálculos composicionales: En este tipo de cálculos se requiere la composición del gas, es decir, el análisis cromatográfico, debidamente verificado y normalizado. Por ejemplo, si tenemos un gas de la siguiente
composición (Hipotética) en fracciones molares: C 1=0.8 C2=0.1 C3=0.1 (Resultado del análisis cromatográfico, que no considera el contenido de agua, es decir, está en base seca) y un contenido de agua de H2O=0.0014. Realizar la normalización.
2) Cálculos no composicionales: Los cálculos no composicionales no requieren necesariamente la composición detallada, basta con valores de la gravedad específica.
Ejemplo de composición promedio en Bolivia Composición Promedio % Molar
Fracción Molar
Mwi
MW
CO2
1,012
0,010
44,010
0,445
C1
88,501
0,885
16,043
14,198
C2
7,039
0,070
30,070
2,117
C3
2,270
0,023
44,097
1,001
i-C4
0,327
0,003
58,123
0,190
n-C4
0,477
0,005
58,123
0,277
i-C5
0,133
0,001
72,150
0,096
n-C5
0,127
0,001
72,150
0,092
C6
0,072
0,001
86,177
0,062
C7+
0,043
0,000
142,285
0,061
100,000
1,000
Componente
∑=
Nota.- El agua con 5 lb/MMPCN y el H2S con 4 ppm,v
18,538
CÁLCULO DE LA COMPRESIBILIDAD DE GASES
Cuando trabajamos con gases a presiones bajas, las correlaciones de gases ideales tienen una exactitud generalmente satisfactoria. Si las presiones son elevadas las correlaciones ideales puede generar errores hasta de cerca del 500%. PV = ZnRT
CÁLCULO DE LA COMPRESIBILIDAD DE GASES
Para mezclas de gases Ma = Σ Mi*yi g
=
Ma/ Maire
Maire = 28,9625 lbs/lbs-mol
CÁLCULO DE LA COMPRESIBILIDAD DE GASES
Temperatura seudocrítica: Presión seudocrítica: Temperatura seudoreducida: Presión seudoreducida:
Tpc = Σ (yi * Tci) Ppc = Σ (yi * Pci) Tpr = T / Σ (yi * Tci) = T / Tpc Ppr = P / Σ (yi * Pci) = P / Ppc
El factor Z (Factor de desvío) se puede calcular por el método de Standing.
CÁLCULO DE LA COMPRESIBILIDAD DE GASES
Si solo se tiene el dato de la gravedad específica se usa las siguientes ecuaciones:
T pc 168 325 g 12.5
2 g
p pc 677 15.0 g 37.5
2 g
Efecto de Componentes No Hidrocarburiferos en el Factor Z
Método de corrección Wichert-Aziz
Método de corrección Carr-Kobayashi-Burrows
Método de corrección Wichert-Aziz A = yH2S + yCO2 B = fracción molar de H2S en la mezcla de gas
Método de corrección Carr-Kobayashi-Burrows
PROCESUAL
Un gas natural agrio tiene una gravedad específica de 0.75. El análisis composicional del gas muestra que contiene 5% de CO2 y 10% de H2S. a) Calcular el factor de compresibilidad z, con y sin corrección por presencia de componentes no hidrocarburiferos, calcular la variación en porcentaje. (Utilizar el método de Wichert-Aziz). b) Calcular la densidad del gas a 3500 psia y 160°F, utilizar el factor de compresibilidad z corregida.
GRAVEDAD ESPECÍFICA
La densidad es necesaria para determinar los volúmenes que ocupan ciertas porciones de masas de hidrocarburos. Gravedad específica del gas = Densidad del gas / Densidad del aire Gravedad específica del liquido = Densidad del liquido / Densidad del agua
CÁLCULO DE LA VISCOSIDAD DE HIDROCABUROS GASEOSOS
Se puede calcular la viscosidad de gases en función de la temperatura, presión y gravedad específica del gas.
Viscosidad del Gas Natural
Hallar la viscosidad del Gas Natural con los siguientes datos: T = 300 °F (149 ºC) P = 1500 psi GE = 0,7
Método de Lee-Gonzalez-Eakin
g
K
4
10 Ke
(9.4 0.02 M a )T 1.5
Y X g 62.4
X 3.5
209 19 M a T
Y 2.4 0.2 X
986 T
0.01 M a
PRINCIPALES REACCIONES QUIMICAS DEL GAS NATURAL
Reacciones de combustión CnH2n+2 + O2 → nCO2 + (n+1) H2O Reacciones de producción de Metanol El gas de síntesis (CO + H 2) se puede obtener de distintas fuentes:
Gas Natural Hidrocarburos Líquidos Carbón
Obtención del gas de síntesis a partir de la combustión parcial en presencia de vapor de agua Gas Natural + Vapor de Agua → CO + CO2 + H2 Esta reacción emplea altas temperaturas y presiones, y necesita reactores industriales grandes y complicados. CO + CO + H 2 2 → CH3OH La reacción se produce a una temperatura de 300-400°C y a una presión de 200300 atm. Los catalizadores usados son ZnO o Cr 2O3
PRINCIPALES REACCIONES QUIMICAS DEL GAS NATURAL
Reacciones de Fischer Trophs para la producción de diesel y gasolinas sintéticas Insuflado de O2 en un reactor para extraer los átomos de Hidrogeno, la reacción es la siguiente:
CH4 + ½ O2 → CO + 2H2 A 1000 ºC y 1400 psi ó mayores
Se utiliza un catalizador para recombinar el hidrógeno y monóxido de carbono, dando lugar a los hidrocarburos líquidos.
nCO + (2n+1) H2 → CnH(2n+2) + n(H20) A 450 psi y 240- 280 ºC ; Catalizador de Fe ó Co
Los hidrocarburos de cadena larga son cargados en una unidad de craqueo, donde se fraccionan para producir diesel, nafta y ceras.
CORROSIÓN EN LAS INSTALACIONES DE GAS NATURAL
“Corrosión es el ataque destructivo de un metal por
reacción química o electroquímica con su medio ambiente.”
Condición de Humedad y H 2 S: Es definido como un
proceso de refinería en el cual el ambiente tiene una concentración de H2S igual o mayor a 50 ppm/w en fase acuosa. En las figuras siguientes se muestran metales con corrosión de H2S
CORROSIÓN EN LAS INSTALACIONES DE GAS NATURAL DISOC IAC IÓN DEL C O 2 EN AGUA
El CO2 disuelto en agua forma ácido carbónico:
el cual es un ácido débil, dado que se disocia parcialmente:
Luego se tiene:
Corrosión