Tema1b-PropiedadesGasNatural

PROPIEDADES DEL GAS NATURAL

1. Cadena de los Hidrocarburos

2. Que es el Gas Natural

2. Componentes del Gas Natural

Gas Licuado de Petróleo - GLP

2. Componentes del Gas Natural

Ventajas y Desventajas del Uso de Gas Natural y GLP

3. Procesamiento del Gas Natural

4. Composición Típica del Gas Natural

Bolivia USA Francia Holanda Libia PakistanMetano CH4 88.04 63.20 69.20 81.20 66.80 94.40Etano C2H6 4.58 22.50 3.30 2.90 19.40 1.00Propanos C3H8 1.68 11.20 0.90 0.50 9.10 0.30Butanos C4H10 0.93 0.10 0.60 0.10 3.50 0.30Pentano + C5H12 + 2.71 0.30 0.80 0.10 1.20 0.00Nitrogeno N2 0.66 2.00 0.60 14.40 0.00 3.80Dioxido de Carbono CO2 1.40 0.70 9.30 0.80 0.00 0.00Oxigeno O2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.20Hidrogeno Sulfidrico H2S 0.00 0.00 15.30 0.00 0.00 0.00

PaísComposicion

Composiciones en Porcentajes Molares de Varios Gases Naturales

(% Mol)

4. Composición Típica del Gas Natural

El cálculo de las propiedades físicas, termodinámicas y de transporte del gas natural es muy importante en la industrialización del mismo. Algunas de las situaciones en las que se requieren estos cálculos son: Balance de materia y energía en equipos de procesamiento del gas natural

tales como: Intercambiadores de calor, columnas de destilación, columnas de absorción, separadores, compresores, turboexpansores y muchos otros más

Transporte y distribución de gas natural Otros procesos del gas natural

1. Introducción

Propiedades:

Físicas

Termodinámicas

Transporte

1. Introducción

Gravedad EspecíficaPropiedades críticasFactor de compresibilidadDensidad

EntalpíaEntropíaCapacidad caloríficaCalor latentePoder calorífico

ViscosidadConductividad Térmica

Métodos de Cálculo

1. Introducción

GráficosTablasAnalíticos Teóricos

Semiempíricos

2. Propiedades Físicas

Algunas propiedades del gas natural son las siguientes:


Tf Tb Tc Pc Vc Cp=A+BT+CT2+DT3 [=]jul/molºK; T[=]ºK(ºK) (ºK) (ºK) (bar) (cm 3/mol) A B C D

Monóx. de Carbono CO 28.01 68.10 81.61 133.40 35.0 93.10 0.294 0.066 30.8424 -1.284E-02 2.788E-05 -1.271E-08

Dióxido de Carbono CO2 44.01 216.56 194.65 304.20 73.9 94.80 0.275 0.239 19.7740 7.337E-02 -5.602E-05 1.716E-08

Nitrógeno N2 28.01 63.30 77.40 126.20 33.9 89.80 0.290 0.039 31.1500 -1.357E-02 2.680E-05 -1.168E-08

Agua H2O 18.02 273.20 373.20 647.30 221.2 57.10 0.235 0.344 32.2400 1.924E-03 1.055E-05 -3.596E-09

Oxígeno O2 32.00 54.40 90.20 154.60 50.4 73.40 0.288 0.025 28.1100 -3.680E-06 1.746E-05 -1.065E-08

Acido sulfhídrico H2S 34.08 189.60 213.50 373.20 89.4 98.60 0.284 0.081 31.9400 1.432E-05 2.432E-05 -1.176E-08

Metano CH4 16.04 90.70 111.62 190.70 46.3 98.90 0.288 0.011 25.3596 1.687E-02 7.131E-05 -4.084E-08

Etano C2H6 30.07 89.90 184.63 305.40 48.8 145.70 0.285 0.099 8.1814 1.615E-01 -4.007E-05 -6.942E-09

Propano C3H8 44.10 85.50 231.14 369.70 42.5 198.60 0.279 0.153 -5.3379 3.102E-01 -1.646E-04 3.469E-08

n-Butano n-C4H10 58.12 134.80 272.98 425.60 37.6 255.00 0.274 0.199 -1.7792 3.870E-01 -1.933E-04 3.483E-08

i-Butano i-C4H10 58.12 113.60 261.52 407.70 36.8 263.10 0.283 0.183 -10.8533 4.305E-01 -2.516E-04 5.945E-08

n-Pentano n-C5H12 72.15 143.40 309.22 470.00 33.6 310.60 0.267 0.251 -3.4107 4.850E-01 -2.519E-04 4.868E-08

i-Pentano i-C5H12 72.15 113.30 301.15 461.10 33.4 307.40 0.270 0.227 -11.2901 5.161E-01 -2.880E-04 6.386E-08

n-Hexano n-C6H14 86.18 177.80 341.93 507.90 30.2 368.40 0.264 0.299 -4.7384 5.824E-01 -3.106E-04 6.292E-08

n-Heptano n-C7H16 100.20 182.60 371.56 540.10 27.4 428.10 0.262 0.349 -5.6191 6.769E-01 -3.639E-04 7.407E-08

Propiedades Físicas de Gases

wComponente Fórmula M Zc


i iM M x

Gravedad Específica y Propiedades Pseudocríticas

Gravedad Específica:

Donde:g= Gravedad específica del gas naturalM= Peso molecularMi = Peso molecular del componente ixi = fracción molar del componente i

;97.28

MG

a

gg



Propiedades Pseudocríticas:

Donde:xi = Fracción del componente iPci =Presión crítica del componente iTci = Temperatura crítica del componente i

i i i iPc x Pc Tc x Tc Para Mezclas gaseosas conocida su composición:

Regla de Mezclado de Kay:




Donde: g= Gravedad específica del gas natural Ppc =Presión Pseudocrítica (psia) Tpc = Temperatura Pseudocrítica (ºR)

Para Mezclas gaseosas conocida su Gravedad específica:

Mezclas con contenido de H2S <3%, N2<5%, y contenido total de compuestos inorgánicos <7%




Donde: g= Gravedad específica del gas naturalyN2 = Fracción molar del nitrógenoyCO2 = Fracción molar del dióxido de carbono

yH2S = Fracción molar del ácido sulfídricoPpc =Presión Pseudocrítica (psia) Tpc = Temperatura Pseudocrítica (ºR)

Para Mezclas gaseosas conocida su Gravedad específica:Mezclas con contenido de significativo de gases ácidosCorrelación de Ahmed (1989):


PM

ZRT

Densidad y Factor de Compresibilidad

Ambas propiedades están muy relacionadas entre sí de acuerdo a la ecuación de estado:

Donde:= DensidadP=Presión absolutaM= Peso molecularMi = Peso molecular del componente ixi = fracción molar del componente iZ= Factor de CompresibilidadR= Constante Universal de los gasesT= Temperatura absoluta

i iM M x


Pr , T rP T

Pc Tc

Cálculo del Factor de Compresibilidad: Z Considerando el Principio los Estados CorrespondientesMétodo Gráfico:

Donde:Z= Factor de CompresibilidadPr = Presión PseudoreducidaTr = Temperatura PseudoreducidaP=Presión absolutaT= Temperatura absolutaPc= Presión PseudocríticaTc= Temperatura Pseudocríticaxi = Fracción del componente iPci =Presión crítica del componente iTci = Temperatura crítica del componente i

Z = f(Pr, Tr)

i i i iPc x Pc Tc x Tc


Cálculo de Z:Método Gráfico

Z = f(Pr, Tr)

Pr

r

P

PcT

TTc

i i

i i

Pc x Pc

Tc x Tc


Cálculo de Z: Correlaciones Empíricas

Z = f(Ppr, Tpr)

pr

r

Ppc

ppc

P

P

TT

T

Correlación de Brill and Beggs (1974):


Cálculo de Z: Correlaciones Empíricas

Z = f(Ppr, Tpr)

pr

r

Ppc

ppc

P

P

TT

T

Correlación de Hall and Yarborough (1973):

Donde:


i ix

Cálculo del Factor de Compresibilidad: Z Considerando el Principio los Estados CorrespondientesMétodo por Tablas:

Donde: Z= Factor de CompresibilidadPr = Presión PseudoreducidaTr = Temperatura PseudoreducidaP=Presión absolutaT= Temperatura absolutaPc= Presión PseudocríticaTc= Temperatura Pseudocríticaxi = Fracción del componente iPci =Presión crítica del componente iTci = Temperatura crítica del componente i = Factor acéntrico de la mezcla gaseosai = Factor acéntrico del componente i

Z = f(Pr, Tr,)(0) (1)Z Z Z ; Z(i) = f(Pr, Tr)


Cálculo Z(0)


Cálculo Z(1)


Cálculo del Factor de Compresibilidad: Z Método Analíticos:

Se calcula por las Ecuaciones de: Redlich - Kwong Soave Peng - Robinson Benedic- Web- Rubbin Lee Kesler

Z es función de los parámetros propios de cada ecuación y principalmente de las Propiedades Críticas (Pc, Tc) y de la composición (x) de los componentes de la mezcla gaseosa.

A través de este método se pueden obtener también Z para la fase líquida saturada. 1, fase gaseosa

Z 0, fase líquida

Z

Regla de Mezclado:

1/ 2

3 2 2

2

1

1

2.5

( )

( ) 0

/0.42748

/

/0.08664

/

C

i ii

C

i ii

cii

ci

cii

ci

RT aP

V b T V V b

Z Z A B B Z AB

A x A

B x B

P PA

T T

P PB

T T


Cálculo del Factor de Compresibilidad: Z Método Analíticos: Ecuación de Redlich - Kwong

Forma Estandar:

Forma Polinomial:


Cálculo del Factor de Compresibilidad: Z Método Analíticos: Ecuación de Redlich – Kwong-Soave

3 2 2

n

i 1 1

RTForma estandar: P

V-b ( )

Forma polinomial: Z ( ) 0

Reglas de mezclado: A

n

i j ijj

a

V V b

Z A B B Z AB

x x A

n

i 1

ij ij i

B

A (1-K ) A

i i

j

x B

A

i 2 2

ii

20.5

i i

A 0.42747

B 0.08664

Para fuidos no polares: 1 m 1

rii i

ri

ri

ri

ri

PPa

R T T

Pb P

RT T

T

2

i i i

i ri

ij

m 0.48508 1.5517 -0.1561

Para el hidrogeno: 1.202exp(-0.30288T )

K 0 para hidroca

2rburos pares y el H


Cálculo del Factor de Compresibilidad: Z Método Analíticos: Ecuación de Peng - Robinson

2 2

3 2 2 2 3

n

i 1 1

RTForma estandar: P

V-b 2

Forma polinomial: Z (1 ) ( 2 3 ) ( ) 0

Reglas de mezclado: A n

i j ijj

a

V bV b

B Z A B B Z AB B B

x x A

n

i 1

ij ij i

B

A (1-K ) A

i i

j

x B

A

i 2 2 2

i

20.5

i i

A 0.45724

B 0.07780

1 m 1

rii i i

ri

i ri

ri

ri

PPa

R T T

b P P

RT T

T

2

i i i m 0.37464 1.54226 -0.26992

3. Propiedades Termodinámicas

El cálculo de estas propiedades como se había dicho en un principio son de mucha importancia. Su importancia es aún mayor porque esta íntimamente relacionada con los balances de energía en cualquier proceso, como por ejemplo podemos mencionar los procesos de separación Flash. Procesos de destilación, absorción, calentamiento y enfriamiento de fluidos, diseño de compresores y sistemas de refrigeración expansores y turboexpansores, y muchos otros procesos.


1

2 3

º ; Entalpía del gas ideal, To=25 ºC

; Capacidad calorífica gas ideal

o

T

i iTi

i i i i i

H x Cp dT

Cp a bT c T d T

0 0H H H H

Cálculo de EntalpíaMétodo por Tablas: Estados correspondientes

Donde:

H = Entalpía a cualquier P y THº = Entalpía del gas ideal a Pº=1bar y Cualquier TR = Constante Universal de los gasesTc=Temperatura Pseudocrítica

0 10 0

0 CC C

H H H HH H RT

RT RT

00

C

H

RT

H

Discrepancia de Entalpía para un fluido simple

10

C

H

RT

H

Discrepancia de Entalpía para un fluido real


Cálculo de EntalpíaMétodo por Tablas: Estados correspondientes

= f(Pr, Tr);

Pr ;

r ;

P

PcT

TTc

i iPc x Pci iTc x Tc

i ix

P=Presión absolutaT= Temperatura absolutaPc= Presión PseudocríticaTc= Temperatura Pseudocríticaxi = Fracción del componente iPci =Presión crítica del componente iTci = Temperatura crítica del componente i = Factor acéntrico de la mezcla gaseosai = Factor acéntrico del componente i

Cálculo de las discrepancias de Entalpías [(Hº-H)/RTc]

Donde:


Cálculo de


Cálculo de EntalpíaMétodo Analíticos: Ecuación de Redlich – Kwong - Soave

0

0 0

0 0 0

Entalpia: 1- 1 1

Entropia: - -

Energía libre de Gibbs: -

E

A D BH H RT Z Ln

B A Z

P D ZS S R Ln Z B Ln Ln

P B Z B

G G H H T S S

0 0

1 1

nergía interna: - - (1- ) 1 1

Donde: 1 2 2

n nCjjCii

i j i j iji j i j

A D BU U H H RT Z Ln RT

B A Z

T TmT TmD x y A A K

1

2 3

º ; Entalpía del gas ideal, To=25 ºC, Po 1 at


o

T

i iTi

i i i i i

H x Cp dT

Cp a bT c T d T

0 0H H H H


Cálculo de EntalpíaMétodo Analíticos: Ecuación de Peng - Robinson

0

0 0

0

1 2Entalpía: ( - ) 1 1

8 1 2

1 2Entropìa: ( - ) - ( - )

8 1 2

Energía de Gibbs: ( - ) (

Z BA DH H RT Z Ln

AB Z B

Z BP DS S R Ln Z B Ln Ln

P B Z B

G G

0 0

0 0

0

- ) - ( - )

1 2Energía interna: ( - ) ( - ) - (1- ) 1

8 1 2

tiene la misma definición que en la ecuación de Soave

P 1

H H T S S

Z BD DU U H H RT Z Ln RT

AB Z B

D

at

(presión de referencia)

1

2 3

º ; Entalpía del gas ideal, To=25 ºC, Po 1 at


o

T

i iTi

i i i i i

H x Cp dT

Cp a bT c T d T

0 0H H H H


1

2 3

º ; Entropía del gas ideal, To=25 ºC


o

Ti

i iTi

i i i i i

CpS x dT Rlnx

T

Cp a bT c T d T

Cálculo de EntropíaMétodo por Tablas: Estados correspondientes

Donde: S = Entropía a cualquier P y TSº = Entropía del gas ideal a Pº=1bar y Cualquier TR = Constante Universal de los gases = Factor acéntrico

ºº

S SS S R

R


Cálculo de EntropíaMétodo por Tablas: Estados correspondientes

= f(Pr, Tr);

Pr ;

;

P

PcT

TrTc


i ix


Cálculo de las discrepancias de Entalpías [(Sº-S)/R]

Donde:


Cálculo de


Cálculo de EntropíaMétodo Analíticos: Ecuación de Redlich – Kwong - Soave

0

0 0

0 0 0

Entalpia: 1- 1 1

Entropia: - -

Energía libre de Gibbs: -

E

A D BH H RT Z Ln

B A Z

P D ZS S R Ln Z B Ln Ln

P B Z B

G G H H T S S

0 0

1 1

nergía interna: - - (1- ) 1 1

Donde: 1 2 2

n nCjjCii

i j i j iji j i j

A D BU U H H RT Z Ln RT

B A Z

T TmT TmD x y A A K

0 0S S S S

o1

2 3

º ; Entropía del gas ideal, To=25 ºC, P 1


o

Ti

i iTi

i i i i i

CpS x dT Rlnx at

T

Cp a bT c T d T


Cálculo de EntalpíaMétodo Analíticos: Ecuación de Peng - Robinson

0

0 0

0

1 2Entalpía: ( - ) 1 1

8 1 2

1 2Entropìa: ( - ) - ( - )

8 1 2

Energ la de Gibbs: ( - )

Z BA DH H RT Z Ln

AB Z B

Z BP DS S R Ln Z B Ln Ln

P B Z B

G G

0 0

0 0

0

( - ) - ( - )

1 2Energía interna: ( - ) ( - ) - (1- ) 1

8 1 2

tiene la misma definición que en la ecuación de Soave

P 1

H H T S S

Z BD DU U H H RT Z Ln RT

AB Z B

D

at

(presión de referencia)

0 0S S S S

o1

2 3

º ; Entropía del gas ideal, To=25 ºC, P 1


o

Ti

i iTi

i i i i i

CpS x dT Rlnx at

T

Cp a bT c T d T


1

2 3

º ; Capacidad calorífica de la mezcla como gas ideal


i ii

i i i i i

Cp x Cp

Cp a bT c T d T

ºº

Cp CpCp Cp R

R

Cálculo de Capacidad Calorífica CpMétodo por Tablas: Estados correspondientes

Donde: Cp = Capacidad calorífica a cualquier P y TCpº = Capacidad calorífica del gas ideal a Pº=1bar y Cualquier TR = Constante Universal de los gases = Factor acéntrico

(0) (1)º º ºCp Cp Cp Cp Cp Cp

R R R


Cálculo de Capacidad CaloríficaMétodo por Tablas: Estados correspondientes

= f(Pr, Tr);

Pr ;

;

P

PcT

TrTc


i ix


Cálculo de las discrepancias de Capacidad calorífica Cp

Donde:


Cálculo de


Cálculo de Capacidad Calorífica Cv y La relación existente entre Cp y Cv está dada por:

Donde: Cp, Cv = Capacidad calorífica a cualquier P y TCpº, Cvº = Capacidad calorífica del gas ideal a Pº=1bar y Cualquier TR = Constante Universal de los gasesZ = Factor de compresibilidad a P y T

Rela

º º ; En condiciones ideales

; En condiciones

ción de Capacidades Cal

reales

o

rí

fica

s

=

Cp Cv R

Cp Cv ZR

Cp

Cv


Poder Calorífico del Gas Natural

Definición. Es la máxima cantidad de calor que puede transferirse de los productos de combustión completa, cuando estos son enfriados desde la temperatura de llama adiabática, hasta la temperatura inicial de la mezcla aire combustible.Las unidades en las que se expresan son:

Donde el volumen es medido a 60ºF y 1 atm CS 0ºC y 1 atm. CN

volumende unidad

energía de unidad,

masa de unidad

energía de unidadPC


Poder Calorífico del Gas Natural

Poder calorífico superior (PCS). Es el que se obtiene cuando el vapor formado durante la combustión condensa totalmente hasta enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes.

Ej. CH4(g) + 2O2(g) 2H2O(l) + CO2(g)Este poder calorífico también se lo conoce como calor calorífico

bruto ó alto.

Poder calorífico inferior (PCI). Es el que se obtiene cuando el vapor de agua formado no condensa, al enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes.

Ej. CH4(g) + 2O2(g) 2H2O(g) + CO2(g)Este poder también es conocido como poder calorífico real o neto,

el cual se utiliza en los cálculos.


Cálculo del Poder Calorífico del Gas Natural Se calcula por las siguientes relaciones:

xi = Fracción molar del componente i en la mezcla.

Hoi =Poder calorífico individual

Factor sumatorio de compresibilidad.

Goi =Gravedad específica del componente i, xH =Fracción molar del H2

Los valores se encuentran tabulados en la tabla siguiente

ib

0 0

0r

Poder calorífico del gas natural: H

HPoder Calorífico del gas real: H

Z

i ix H

2n

2

i 1

0 i 0

0r

Factor de comprensibilidad: Z 1- 2 0.0005

(a 60ºF y 1atm)

Gravedad específica del gas ideal: G x

GGravedad específica del gas real: G 0.9996

Z

i i H H

i

x b x x

G

Donde:

4. Propiedades de TransporteCálculo de la Viscosidad del Gas NaturalMétodo Gráfico:

( , , )

29gas gas

aire

gas i i

f T P Sg

M MSg G

M

M x M

4. Propiedades de Transporte

*62.4

Y

gg K EXP X

Cálculo de la Viscosidad del Gas NaturalMétodo Analítico: Según la correlación de Gonzáles - Lee

4 1.510 *(9.4 0.02 )

209 19

9863.5 0.01

2.4 0.2

g

g

g

M TK

M T

X MT

Y X

Donde:

g= Viscosidad del gas en cPg = Densidad del gas en lb/pie3

T= Temperatura en ºRMg= Peso molecular del gas

4. Propiedades de TransporteCálculo de la Viscosidad del Gas NaturalMétodo Gráfico: Según la correlación de Carr - Kobayashi

1=f(T,Mg)

4. Propiedades de TransporteCálculo de la Viscosidad del Gas NaturalMétodo Gráfico: Según la correlación de Carr - Kobayashi

=f(Ppr,Tpr)

4. Propiedades de TransporteCálculo de la Viscosidad del Gas NaturalMétodo Analítico: Según la correlación de Carr - Kobayashi

Donde:g= Viscosidad del gas en cPg = Gravedad específica del gas naturalT= Temperatura (66ºF)Tpr= Temperatura PseudoreducidaPpr= Temperatura PseudoreducidayN2= Fracción molar del NitrógenoyCO2= Fracción molar del CO2

yH2S= Fracción molar del H2S

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