COMPORTAMIENTO DE FASES

1. BASES DEL COMPORTAMIENTODE FASES EN SISTEMAS DEHIDROCARBUROS

INTRODUCCION

Una fase es cualquier parte homognea de un sistema que es fsicamente distinta y separada de otras partes del sistema por fronteras definidas. Por ejemplo, el hielo, el agua lquida y el vapor de agua constituyen tres fases separadas de la sustancia pura H2O porque cada una es homognea y fsicamente diferente de las otras; por otra parte, cada una est claramente definida por fronteras existentes entre ellas. El cambio de fases es denominado Comportamiento de Fases.

Si una sustancia existe en una fase slida, lquida o gas, est determinada por la temperatura y la presin que acta sobre la sustancia.

Los sistemas de hidrocarburos encontrados en yacimientos de petrleo son conocidos por mostrar un comportamiento multifsico sobre un amplio rango de presiones y temperaturas.

Las ms fases importantes que ocurren son: Fase Lquida (Petrleo Crudo o Condensados) Fase Gaseosa (Gases Naturales)

COMPORTAMIENTO DE FASESDE COMPONENTES PUROS

El tipo ms simple de sistemas de hidrocarburos considera que contiene un componente. La palabracomponente se refiere al nmero de especie atmica o moleculares presentes en una sustancia.Un sistema de un componente est compuesto enteramente de una clase de tomo o molcula.

La comprensin cualitativa de la relacin entre temperatura T, presin P y volumen V de componentes puros proporcionan unas bases excelentes para la compresin del comportamiento de fases de mezclas complejas.

Suponga que una cantidad fija de un componente puro se coloca en un cilindro provisto de un mbolo sin friccin a una temperatura fija T1. Adems considere que la presin inicial ejercida sobre el sistema es lo suficientemente baja que todo el sistema est en Estado de Vapor.

En el punto crtico la correspondiente presin y volumen son llamados Presin Crtica Pc y Volumen Crtico Vc respectivamente. La ltima isoterma de la figura anterior tiene un punto de inflexin en el punto crtico. Esta isoterma es llamada temperatura crtica Tc del componente puro. Estas observaciones se pueden representar por la siguiente relacin:

El punto crtico describe el estado crtico del componente puro y representa el estado limitante para la existencia de dos fases (Ej. Lquido y gas). Es decir, para un sistema de un componente es definido como el valor de presin y temperatura ms alto al cual las dos fases coexisten. Una definicin ms generalizada aplicable a cualquier sistema es:

El punto crtico es el punto en el cual todas las propiedades intensivas de las fases gas y lquido son iguales.

Una propiedad intensiva es aquella que tiene el mismo valor para cualquier parte de un sistema homogneo como lo hace para todo el sistema. Ej. Presin, temperatura, densidad, composicin y viscosidad.

Muchas propiedades caractersticas de las sustancias puras han sido compiladas en tablas, grficas y correlaciones. Estas propiedades proporcionan informacin vital para calcular las propiedades termodinmicas tanto de sustancia puras como mezclas.

De acuerdo a Lee and Kesler (1975) la Pv es:

Ejemplo 1: Un propano puro es retenido en una celda de laboratorio a 80F y 200 Psia. Calcular la presin de vapor y determinar el estado de existencia de la sustancia (Gas o Lquido)

DENSIDAD

Las densidades de las fases saturadas de un componente puro puede ser graficadas como una funcin de la temperatura. Al incrementar la temperatura, la densidad del lquido saturado decrece, mientras que la densidad del vapor saturado se incrementa. En el punto crtico las densidades del lquido y del vapor convergen.

Este diagrama de densidad-temperatura es til para calcular el volumen crtico de datos de densidad. La determinacin experimental del volumen crtico a veces es difcil, ya que requiere la medicin precisa de un volumen a alta temperatura y presin.Sin embargo, es evidente que la recta que se obtiene mediante el trazado de la densidad media se cruza con la temperatura crtica, en la densidad crtica. El volumen crtico molar se obtiene dividiendo el peso molecular por la densidad crtica.

Rackett (1970) Propuso una ecuacin generalizada para predecir la densidad del lquido saturado de componentes puros:

COMPORTAMIENTO DE FASESDE SISTEMAS BINARIOS

Una caracterstica particular de un sistema de componentes puros, es que a una temperatura fija, las dos fases pueden existir en equilibrio a una sola presin, la presin de Vapor. Para un sistema binario, las dos fases pueden existir en equilibrio a varias presiones a la misma temperatura.

Una de las caractersticas ms importantes es la variacin de las propiedades termodinmicas y fsicas con la composicin. Por lo tanto, es importante especificar la composicin de la mezcla en fraccin molar o fraccin por peso.

Suponga que una mezcla binaria de composicin total conocida se introduce en un cilindro provisto de un mbolo sin friccin a una temperatura fija T1. Adems considere que la presin inicial, P1 ejercida sobre el sistema es lo suficientemente baja que el sistema entero est en Estado de Vapor.

En el grfico se muestra el efecto del cambio de composicin del sistema binario sobre la forma y la localizacin de la envolvente de fases. Cuando uno de los componentes se vuelve predominante, la mezcla binaria tiende a exhibir una relativa envolvente de fases estrecha y muestra propiedades crticas cercanas al componente dominante. El tamao de la envolvente de fases se ampla notablemente ya que la composicin de la mezcla se distribuye uniformemente entre los dos componentes.

REGLA DE LAS FASES DE GIBBS:Los llamados diagramas de fases representan esencialmente una expresin grfica de la regla de fases, la cual permite calcular el nmero de fases que pueden existir en equilibrio en cualquier sistema:

Los grados de libertad para un sistema incluyen las propiedades intensivas, tales como la temperatura, la presin, la densidad y la composicin de las fases. Estas variables independientes deben especificarse para definir el sistema completamente. En un sistema de componentes puros (C=1), dos fases (P=2), hay solamente un grado de libertad. Por lo tanto, solamente la presin o la temperatura necesita ser especificada para determinar el estado termodinmico del sistema.

DIAGRAMAS TERNARIOS

Son diagramas que representan el equilibrio entre las distintas fases que se forman mediante tres componentes, como funcin de la temperatura.

Se representa mediante un tringulo equiltero, en el que cada uno de los vrtices representa un componente puro. Cada lado representa la fraccin (en peso o molar) de un componente: 100% correspondiente al componente puro y 0% en otro vrtice)

Un punto interno del tringulo representa una mezcla cuya composicin se obtiene trazando lneas paralelas a los lados del tringulo. La suma de las proporciones de los componentes es siempre una constante e igual a 1 (Fraccin molar).

Normalmente, la presin no es una variable indispensable en la construccin de diagramas ternarios, y por lo tanto se mantiene constante.

El equilibrio de fases puede ser representado en un diagrama ternario mediante Lneas Tie, que unen las composiciones de la fase lquida y vapor que estn en equilibrio a una presin y temperatura dada. Cualquier mezcla con una composicin total a lo largo de la Lnea Tie tiene la misma composicin en equilibrio en el lquido y el gas (xi y yi), pero las cantidades relativas sobre una base molar de gas y lquido (ng y nL) cambian linealmente.

SISTEMAS MULTICOMPONENTES

El comportamiento de fases en sistemas de hidrocarburos multicomponentes es muy similar al de sistemas binarios. Sin embargo, el sistema se vuelve ms complejo debido al gran nmero de diferentes componentes, y los rangos de presin y temperatura en los cuales existen dos fases se incrementan significativamente.

Los diagramas P-T de sistemas multicomponentes se usan esencialmente para:

Clasificar Yacimientos Clasificar los Sistemas de Hidrocarburos Describir el comportamiento de fases del fluido de yacimiento

Para entender completamente el significado de los diagramas P-T, es necesario definir los siguientes puntos clave:

Cricondentrmico (TCT): Es definido como la mxima temperatura por encima de la cual el lquido no puede ser formado independientemente de la presin. Cricondenbrico (PCb): Es la mxima presin por encima de la cual el gas no puede ser formado independientemente de la temperatura. Punto Crtico (PC): Para una mezclamulticomponente es referida como el estado de presin y temperatura al cual todas las propiedades intensivas del lquido y del gas son iguales. Envolvente de Fases: Es la regin encerrada por la curva de puntos de burbuja y de roco, donde el gas y el lquido existen en equilibrio. Lneas de Calidad: Describen las condiciones de presin y temperatura para iguales volmenes de lquido. Curva de Puntos de Burbuja: Es definida como la lnea que separa la regin de fase lquida de la regin de dos fases. Curva de Puntos de Roco: Es definida como la lnea que separa la regin de la fase gas de la regin de dos fases.

Los diagramas Ternarios tambin pueden aproximarse a un Comportamiento de Fases Multicomponente agrupndolos en 3 pseudocomponentes.

CLASIFICACION DE LOS YACIMIENTOS Y FLUIDOS DEL YACIMIENTO

La apropiada clasificacin de un yacimiento requiere el conocimiento del comportamiento termodinmico de las fases presentes en el yacimiento y las fuerzas responsables del mecanismo de produccin. El comportamiento de un fluido de yacimiento se determina por la localizacin del punto que representa laTemperatura Ti y Presin inicial Pi, la forma de su diagrama de fase y la posicin de su punto crtico.

De acuerdo a lo anterior los yacimientos se clasifican en dos tipos:

1. Yacimientos de aceite Si la Temperatura del yacimiento, Ty, es menor que la Temperatura crtica Tc.2. Yacimientos de Gas - Si la Temperatura del yacimiento Ty es mayor que la Temperatura crtica Tc.

YACIMIENTOS DE ACEITE

Dependiendo de la presin inicial Pi, estos a su vez se subclasifican las siguientes categoras: Yacimiento Subsaturado: Si la presin inicial del yacimiento, Pi, es ms grande que la presin del punto de burbuja, Pb del fluido de yacimiento. Inicialmente solo se presenta la fase lquida. Yacimiento Saturado: Si la presin inicial del yacimiento es menor o igual que de la presin del punto de burbuja del fluido de yacimiento. Tiene un comportamiento bifsico con una zona gaseosa suprayaciendo una zona lquida.

Los aceites crudos cubren un amplio rango en propiedades fsicas y composiciones qumicas y comnmente se clasifican en los siguientes tipos, de acuerdo al diagrama de fases:

Black Oil Petrleo Voltil

Los yacimientos de aceite poseen una amplia variedad de molculas intermedias y muy grandes por lo que sus diagramas de fase son extremadamente grandes y cubren un amplio rango de temperatura.

BLACK OIL

Consta de una amplia variedad de especies qumicas incluyendo molculas grandes, pesadas y no voltiles. Su diagrama de fase cubre un amplio rango de temperatura. El punto crtico est bien por encima de la pendiente de la envolvente de fase.

Este tipo de fluido de yacimiento tambin se conoce como petrleo crudo de baja reduccin o petrleo normal.

DIAGRAMA DE FASE BLACK OIL

CARACTERSTICAS DE CAMPO YLABORATORIO:

GOR menor de 2000 scf/STB API menor de 45 Temperatura de yacimiento menor de 250 F Factor volumtrico menor de 2.0 (crudos de merma baja) Color verde oscuro a Negro Composicin de C7+ > 30%

PETRLEO VOLATIL

Contienen relativamente menos molculas pesadas y ms intermedias que los Black Oils. El rango de temperatura es algo ms pequeo. La temperatura crtica est cercana a la temperaturadel yacimiento. Las lneas de iso-volmenes no estn espaciadas pero estn trasladas por encima de lnea del punto de burbuja.

Los petrleos voltiles tambin se conocen como petrleos crudos con alta reduccin, y petrleos cercanos-crticos

DIAGRAMA DE FASE PETROLEO VOLATIL

CARACTERSTICAS DE CAMPO YLABORATORIO:

GOR entre 2000 y 8000 scf/STB API entre 45 y 60 Factor volumtrico mayor a 2.0 (crudos demerma grande) Color caf claro a verde Composicin de C7+ > 12.5%

YACIMIENTOS DE GAS

Los yacimientos de gas, en los cuales predomina el metano, tienen diagramas de fase relativamente pequeos. A su vez de acuerdo a su diagrama de fases se subclasifican en tres categoras:

Gas Retrgrado Gas Hmedo Gas Seco

GAS RETROGRADO

Diagrama de fase es algo ms pequeo que para los petrleos. El punto crtico est ms por debajo en el lado izquierdo de la envolvente por tener menos hidrocarburos pesados que los petrleos. La temperatura crtica menor que la temperatura del yacimiento. La temperatura cricondentrmica es mucho mayor que la temperatura del yacimiento.

Los gases retrgrados se conocen tambin como gases condensados retrgrados, gases condensados o condensados

DIAGRAMA DE FASE GAS RETROGRADO

CARACTERSTICAS DE CAMPO YLABORATORIO:

GOR entre 8000 y 150000 scf/STB API mayor de 60 Color claro o ligeramente coloreado Composicin de C7+ < 12.5%

GAS HUMEDO El diagrama de fase con molculas predominantes muy pequeas, estar por debajo de la temperatura de yacimiento. Gas hmedo no significa que el gas es humedecido con el agua; se refiere a los hidrocarburos lquidos que se condensan a condiciones de superficie.

El lquido en superficie normalmente se conoce como condensado, y el gas del yacimiento se conoce como gas condensado.

DIAGRAMA DE FASE GASHUMEDO

CARACTERSTICAS DE CAMPO YLABORATORIO:

GOR mayor de 150000 scf/STB API mayor de 60 en superficie Color claro en superficie No hay formacin de lquido en el yacimiento

GAS SECO

El gas seco es principalmente metano con algunas molculas intermedias. El gas seco indica que el gas no contiene suficientes molculas pesadas para formar hidrocarburos lquidos en la superficie. La mezcla de hidrocarburos es solamente gas en el yacimiento y a condiciones normales del separador en superficie caen por fuera de la envolvente de fase.

Un yacimiento de gas seco se conoce simplemente como yacimiento de gas.

DIAGRAMA DE FASE GAS SECO

CARACTERSTICAS DE CAMPO YLABORATORIO:

No hay produccin de lquido en superficie Composicin esencial de metano

COMPOSICIONES TIPICAS

Envolventes para diferentes mezclas con proporciones distintas de los mismos componentes hidrocarburos