MANEJO DE PRODUCCION EN CAMPOS DE GAS

MANEJO DE PRODUCCION EN CAMPOS DE GAS ABEL NARA'NJO AGUDELO Profesor Asociado Escuela de Procesos y Energia UNIVERSIDAD NACIOANL DE COLOMBIA- SEDE MEDELLiN ESCUELA DE PROCESOS Y ENERGiA 2004 r"\
UNAL-Medellfn
1111111111111111111" 1111'"111111111111111111111111
64000001603843
/
TRATAMIENTO DEL GAS
1 -.
GENERALIDADES SOBRE EL GAS NATURAL
Gas Ideal Condiciones Base Gases reales Mezclas de Gases Contenido liquido de un Gas Viscosidad del Gas Poder Calorifico del Gas Capacidad Calorifica del Gas Tratamiento del Gas 2.
CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO DEL GAS.
Fundamentos de Transferencia de Calor
Requerimientos de Calor en un Proceso de Intercambio de Calor
Intercambiadores de Calor
Calentadores
Unidades de Separacion a Baja Temperatura
3.
SEPARACION GAS - LiQUIDO
Separadores Descripcion de Separadores Separadores Especiales Factores que Afectan la Separacion Dimensionamiento de Separadores Presiones de Diserio y Espesor de Lamina 4.
DESHIDRATACION DEL GAS
t
Determinacion del Contenido de Agua en el Gas Hidratos Deshidratacion del Gas Deshidratacion por Absorcion Deshidratacion por Adsorcion Deshidratacion por Expansion y Refrigeracion 5.
ENDULZAMIENTO DEL GAS
Generalidades Procesos de Absorcion Quimica Procesos de Absorcion Fisica Procesos H ibridos Procesos de Conversi6n Directa Procesos de Absorci6n en Lecho Seco Procedimiento Preliminar para Seleccionar un Proceso de Endulzamiento. Avances Tecnol6gicos en el Tratamiento del Gas. 6.
PROCESAMIENTO DEL GAS.
Proceso de Absorci6n Proceso de Refrigeraci6n Proceso Criogenico 7
FLUJO DE GAS EN TUBERiAS.
Ecuaci6n General para Flujo de Gas en Tuberlas. Ecuaciones Pnlcticas para Flujo de Gas Selecci6n de la Ecuaci6n Adeucada. Eficiencia de Tuberia Presiones de Trabajo Permisibles en Tuberlas Velocidad Permisible en Tuberlas Determinaci6n del Diametro de Tuberla Requerido Denominaci6n de Tuberlas Correcciones por cambio de Altura. 8
COMPRESION DEL GAS
Introduccion Compresores Ciclos de Com presion Eficiencia Volumetrica Temperatura de Descarga Capacidad del Compresor Trabajo; Caballaje y Potencia Compresion Polifasica Sistemas de Compresion Seleccion de un Sistema de Compresion 9
MEDICION DEL GAS
Caracteristicas Importantes de un Medidor
Tipos de Medidores
Descripcion del Medidor de Orificio
Ecuacion Basica del Medidor de Orificio
Factores de Correccion en la Ecuacion Basica del Medidor de Orificio
Cartas del Registrador
Calculo de Volumenes .
1 -. GENERALIDADES SOBR
EI gas natural es una mezclc
puede estar en estado gasec
despresurizarlo esta en estad(
necesario separarlos para m.
c~GeL9as natural
presente es bastante amplio.
Dada su naturaleza gaseosa
procedimientos desarrollados c
relativa facilidad sus propiedad,
calidad que exigen los consumi,
1.1 GAS IDEAL
Para analizar las propiedades f
mas sencillo de un gas, 0 sea l
encuentre en estado gaseoso;
ideal. Un gas ideal cumple con I
-
Ocupa todo el volumen dispo EI volumen de las moleculas No hay interacciones del tipo Los choques entre las mol transferencia de energia . Estas cuatro condiciones se con<
Con base en la teoria cineticc
conocidas como leyes de los gas.
• Ley de Boyle: EI volumen dE
es inversamente proporcional
P
=
constante
yo lumen
• Ley de Charles (Gay Lussa
volumen ocupado por una cc
proporcional a la temperatura;
V =constante*T
Esta misma ley tam bien se puec
volumen constante, para una canti
la temperatura; 0 sea
P=constante* T
2
1 -. GENERALIDADES SOBRE EL GAS NATURAL.
EI gas natural es una mezcla de hidrocarburos, la mayoria de bajo peso molecular, que
puede estar en estado gaseoso 0 liquido en el yacimiento pero al traerlo a superficie y
despresurizarlo esta en estado gaseoso, aunque acompafiado con liquido y por 10 tanto es
necesario separarlos para manejar de manera independiente ambas fases. ELQr!.n~ipal
c~-QeLgas. na!ural nQLrnalmente es el metano pero el rango de hidrocarburos­
presente es bastante amplio.
Dada su naturaleza gaseosa la caracterizacion y manejo del gas natural se hace con
procedimientos desarrollados con base en la teoria de los gases y esto permite definir con
relativa facilidad sus propiedades fisicas y los procedimientos para lIevarlo a los requisitos de
calidad que exigen los consumidores.
1\
1.1 GAS IDEAL
Para analizar las propiedades fisicas del gas natural se debe empezar por estudiar el caso
mas sencillo de un gas, 0 sea un compuesto puro que a presion y temperatura ambiente se
encuentre en estado gaseoso; este tipo de fluido tradicionalmente se considera como gas
ideal. Un gas ideal cumple con las siguientes condiciones:
(
Ocupa todo el volumen disponible en el recipiente donde esta almacenado.
EI volumen de las moleculas comparado con el volumen total es despreciable.
No hay interacciones del tipo gravitacional, electrico 0 electromagnetico entre moleculas.
Los choques entre las moleculas son completamente elasticos 0 sea que no hay
transferencia de energia .
Estas cuatro condiciones se conocen como los postulados de la teoria cinetica de los gases.
Con base en la teoria cinetica de los gases se han podido establecer algunas leyes
conocidas como leyes de los gases ideales entre las cuales se puede mencionar:
• Ley de Boyle: EI volumen de una cantidad (masa) dada de gas a temperatura con stante
es inversamente proporcional a la presion; 0 sea
p =
constante
volumen
po:
I
<.J
(1.1 )
• Ley de Charles (Gay Lussac): Cuando se trabaja con gases a bajas presiones el
volumen ocupado por una cantidad dada de gas a presion constante es directamente
proporcional a la temperatura; 0 sea
V =constante*T (1 .2)
Esta misma ley tambien se puede enunciar como: a presiones bajas y manteniendo el
volumen constante, para una cantidad dada de gas la presion es directamente proporcional a
la temperatura ; 0 sea
P=constante* T ( 1.3)
3
J
m ns.
-...
'
14,7 Lpca*3 79 pies
520 () R* Ib mol
1
R= --~-~--
,
• Ley de Avogadro: Bajo las mismas condiciones de presion y temperatura, volumenes
iguales de gases ideales contienen el mismo numero de moleculas.
De otra parte, tambien por definic
absoluta de presion ocupa 22,4 litr
tiene
1.1.1 Ecuaci6n de Estado para un Gas Ideal
P = 1 at ab.
T
Con base en las ecuaciones (1.1) - (1 .3) se puede lIegar a una relacion entre presion,
volumen, temperatura y cantidad de gas conocida como la ecuacion de estado para un gas
ideal y la cual presenta la siguiente forma:
= °C + 273,15 = 273,15°K
v =22 ,4 Itrs.
n
(1 A)
= 1 g.mol
a sea que
donde
R
P Presion absoluta a la que se encuentra el gas, la cual por definicion es la presion que
indica el registrador de presion mas la atmosferica del lugar, medidas ambas en las
mismas unidades ..
R
En cuanto a los valores que puede tener R, como ya se dijo depende de las unidades usadas
para P, V, n y T. Por ejemplo, por definicion una libra mol de un gas ocupa 379 pies3 a 14,7
Ipca y 60. 0 sea que para aplicar la ecuacion (1 A) .
P = 14,7 Ipca
T
=460 + 60 =520
n
= 1 Ib mol
V
=379 pies3
0
R
0,0
Pv= RT
Donde v, se conoce como el volur
las demas variables siguen tenien
Constante universal de los gases, su valor depende de las unidades usadas pero
para un sistema de unidades dado es una constante, aunque tiene dimensiones.
Temperatura absoluta la cual es igual al valor que indica el registrador de temperatura
del gas mas una constante que depende de las unidades en que se registre la
temperatura del gas. Si la temperatura se mide en OF la temperatura absoluta se
obtiene de T = OF + 460 Y se da en grados Rankine; si la temperatura se mide en
°C, la temperatura absoluta se calcula deT = °C + 273,75 y se da en grados Kelvin .
1K.mol*273,15K
Es muy comun usar la ecuacion I
siguiente forma
Cantidad de gas dada en moles Por definicion una mol es el peso molecular
expresado en unidades de masa; de esta forma se habla de una libra mol (lb. mol)
como el peso molecular expresado en libras y un gramo mol (g .mol) como el peso
molecular expresado en gramos.
n
1aL* 22,411r
Aunque el valor de R depende de I
moles para el objetivo de estas not
V: Volumen que ocupa el gas, el cual por definicion de gas ideal es el mismo volumen del
recipiente.
T
IBLlOTJ:!.CJ
Ql'ICA WJ)lAl
.
En su primera forma se conoce como Ley de Charles y en su segunda forma como Ley de
Gay-Lussac.
PV=nRT . . ......a.
DB
1.1.2 Mezclas de Gases Ideales
'\
Cuando varios compuestos pur
reacciones quimicas la mezcla re
pueden aplicar las mismas leyes \
de gases ideales cumplen con las
• Ley de Dalton: Cuando se t
presion igual a la que ejercel
manteniendo la temperatura c
del componente i y la presio!
parciales.
Matematicamente la ley de Dalton
manera:
P;V
por tanto:
donde ,
4
= njRT
ey de
R= 14,7 Lpca*3 79 pies
520 °R* lh mol '.
J
10 73 1pca . * pies'
,
"R. * lhmol
enes
De otra parte, tambien por definicion, un gramo mol de un gas a O°C y una atmosfera
absoluta de presion ocupa 22,4 litros; nuevamente, si se va a aplicar la ecuacion (1 A) se
tiene:
P = 1 at ab.
T = °C + 273,15 = 273, 15°K
ion, ;Jas v = 22,4 Itrs.
n = 1 g.mol
4)
o sea que
R
I at* 22,41tr
I g.mol*273,15K
0082 at. It
gmol. oK
,
Aunque el valor de R depende de las unidades usadas para presion, volumen, temperatura y
moles para el objetivo de estas notas se mostraran solamente los dos valores anteriores
Es muy comun usar la ecuacion (1 A) por mol (Ibmol 0 gmol) y en este caso queda de la
siguiente forma
Pv = RT (1 5)
Donde v, se conoce como el volumen especifico molar (volumen por lb. mol 0 por g.mol) y
las demas variables siguen teniendo el mismo significado.
1.1.2 Mezclas de Gases Ideales
\
Cuando varios compuestos puros en estado gaseoso, se mezclan sin que ocurran
reacciones quimicas la mezcia resultante se comporta tambien como un gas ideal y se Ie
pueden aplicar las mismas leyes vistas para los gases ideales. Adicionalmente, las mezcias
de gases ideales cumplen con las dos leyes siguientes
• Ley de Dalton: Cuando se tiene una mezcla de gases, cada componente ejerce una
presion igual a la que ejerceria si estuviera ocupando el volumen que tiene la mezcia
manteniendo la temperatura constante. Esta presion se conoce como la presion parcial
del componente i y la presion total de la mezcla es igual a la suma de las presiones
parciales.
Matematicamente la ley de Dalton se puede plantear usando la ecuacion (1 A) de la siguiente
manera:
PjV = njRT (1.6)
donde,
5
Pj
nj
n,
es la presion parcial del elemento i
numero de moles del elemento i
y recordando que "
se (
~n ,
Ademas
V
,=y .
V
"
P = Ipi
0
sea que
Vj = Yj V
(1.7)
y la ecuacion (1 .12) es otra f(
Despejando Pi de (1 .6) y dividiendo por (1 .7) se tiene:
Observando la ecuacion (1 .1:
RT / V * n,
I~
P
RT /
n,
(1 .8)
V*In, In,
en la ecuaci6n (1 .8) el terminG n;!L:nj se conoce como fraccion molar del componente i y por
definici6n es la relacion entre el numero de moles del componente i y el numero de moles
totales en la mezcia . Se representa por Yj.
y V, por definicion es la f
V
volumen parcial del compone
La ecuacion (1 .8) se puede reordenar para presentarla como
, "
p =p*n, =p*v '
~n ,
La composici6n de una mE
componente (equivalente a I
ultimo se debe conocer el pe'
es la relacion entre la masa d
(1 .9)
La ecuaci6n (1 .9) es otra forma de plantear la Ley de Dalton y se podria enunciar como En
una mezcia de gases ideales, la presi6n parcial del componente i es igual al producto de la
presion total de la mezcia por la fraccion molar del componente i.
AI dar la composici6n se id
molar. Sin embargo la identifi
la mezcia solo es posible hi
separacion como compuest( .
puntos de ebullici6n son ba
carbon os y empiezan a apare
compuestos puros se hace i
identifican los componentes J:
y los hidrocarburos de mas (
• Ley de Amagat: En una mezcla de gases ideales el volumen ocupado por cad a
componente de la mezcia es igual al volumen que ocuparian las moles de dicho
componente si estuviera solo a la presion de la mezcla . Este volumen se conoce como
volumen parcial y el volumen de la mezcla es igual a la suma de los volumenes parciales.
Matematicamente , la ley de Amagat se puede plantear usando la ecuacion (1.4) asi
identifica como
PV j = njRT
RT
Vi= p *n ,
(110)
yademas
RT * n = RT
V = " V, ="
~
~P
'P
*"
V,
I
algun metodo, pues no se
Aunque con las tecnicas aCi
mayor de componentes purm
considerarla como un compor
1.1.3 Peso Molecular, Dens·
n
~ '
Dividiendo la ecuaci6n (1 .10) por la (1 .11) se tiene
V,
•
C;, el cual
(111 )
Cuando se trata de mezclas n
pues la mezcla esta compue
aparente de una mezcla se ot
n,
MWa = LY j MW j I V, V In,
donde Yj yMW j
6
Son la fraccion rr
n
y recordando que ~-'--- se definio como Yi se tiene finalmente
~n l
V
V = Y·
I
0
sea que
I'
( 1.12)
y la ecuacion (1 .12) es otra forma de enunciar la ley de Amagat.
Observando la ecuacion (1 .12) se ve que
(1.13)
Y
V,
V
por definicion es la fraccion par volumen del componente i y es la relacion entre el
volumen parcial del componente i y el volumen total de la mezcta.­
La composicion de una mezcla de gases se puede dar como . fraccion molar de cada
componente (equivalente a fraccion por volumen) 0 fraccion por peso . Para calcular este
ultimo se debe conocer el peso molecular de la mezcla pues por definicion , fraccion por peso
es la relacion entre la masa del componente i y la masa total de la mezcla .
AI dar la composicion se identifican los diferentes componentes y su respectiva fraccion
molar. Sin embargo la identificacion de todos los compuestos puros que son componentes de
la mezcla solo es posible hasta cierto punto, pues para hidrocarburos livianos es facil su
separacion como compuesto puro, caso del metano, etano, · propano, debido a que sus
puntos de ebullicion son bastante diferentes; pero a medida que aumenta el numero de
carbonos y empiezan a aparecer los isomeros la separacion de todos los componentes como
compuestos puros se hace imposible . Por esta razon al dar la composicion de un gas se
identifican los componentes puros generalmente hasta el hexane al igual que el H2 S y el CO 2 ,
y los hidrocarburos de mas de seis carbonos se toman como un solo componente que se
identifica como
C;, el cual es una fraccion cuyas caracterlsticas se deben determinar por
algun metodo, pues no se encuentran en tablas como las de los componentes puros
Aunque con las tecnicas actuales de cromatografia es posible identificar un numero aCln
mayor de componentes puros, de todas maneras se lIega a una fraccion final que habra que
considerarla como un componente puro sin serlo .
1.1.3 Peso Molecular, Densidad y Gravedad Especifica de Mezclas.
Cuando se trata de mezclas no se habla de peso molecular sino de peso molecular aparente,
pues la mezcla esta compuesta por moleculas de diferentes tamarios . EI peso molecular
aparente de una mezcla se obtiene de la siguiente forma
(1 14)
donde
Son la fraccion molar y el peso molecular del componente i respectivamente
7
Es el peso. malecular aparente .
Tabla 1-. Propiedades Fisicas
de la Tabla 23 .2 de la referen
Canacida el peso. malecular aparente de una mezcla se puede abtener la fraccion par peso.
de un campanente en la mezcla asi :
YMW
O/OWi =='
, *100
IY,MW, (1 15) Com po nente
Las pesas malecularesy atras prapiedades de las campanentes mas camunes del gas
natural se pueden abtener de tablas de prapiedades fisicas existentes en la literatura. Ver par
ejempla Tabla 23 .2 de ref. 2 , repraducida en la tabla 1 del presente trabaja. La calumna 1 de
dicha tabla muestra las pesas maleculares de las hidracarburas mas camunes.
La expresion para la densidad de un gas se puede abtener a partir de la ecuacion (1.4)
PV = nRT
(1.4)
pero n = W/MW, dande W es la cantidad de gas en libras y M es el peso. malecular en
Ibs/lb.mal, a sea que reemplazanda n par su expresion queda:
v
W
(MW
- -- -
RT
P
P( M W) W
RT
==V==P
(116)
e ,l<
( . 1'
c . ..
c. ~
La expresion (1 .16) nas permite calcular la densidad de un gas can un peso. malecular
canacida y a unas candicianes de P, T dadas . De acuerda can las unidades acastumbradas
para P, M, R Y T se tiene:
P(1pca)* MW(1bs/1b.mol)
3
R (lpca.pies ) *TCR) () R.lbmol et c.
C. I
c.t
C. I
-I
.(~J
p
· 3
pze
Cuanda el gas al que se Ie desea calcular su densidad es una mezcla , en la ecuacion (1 15)
en lugar de MW se usa MWa , abtenida de acuerda can la ecuacion (1 .13)
C
r' .
~
De acuerda can la ecuacion (1 .16) la densidad de un gas dada varia can la presion y can la
temperatura , P~_~1~Ls~_ ctice..que.. el gas esun fluido.compresible parque su valumen varia
.~ La gravedad especffica de un gas se define cama la relacion entre la densidad del gas y la
densidad del aire calculadas a las mismas candicianes de presion y temperatura ; a sea que
de acuerda can la ecuacion (1 .16)
(P * MW / RT ) ~a,
r.~ = (P * W ¥ / RT )(///(,
MW).:o,
(1 .17)
MW"'t<,
8
c
/
•
Tabla 1-. Propiedades Ffsicas de los Componentes mas Comunes del Gas Natural. (Tom ada
de la Tabla 23 .2 de la referencia 2)
J
u...
...
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-0
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3tumbradas
ecuaci6n (1 .15)
I presion y con la
su- volumen varia
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1sidad del gas y la
Jeratura; 0 sea que
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