Propiedades de gases naturales

1. Propiedades de gases naturales
Yacimientos de gases
1.1 Introducción
En esta sección se revisaran métodos para estimar propiedades de fluidos de yacimientos requeridos para cálculos
de ingeniería de yacimientos de gases.
El análisis de laboratorio es el más preciso camino para determinar las propiedades físicas y químicas de una muestra de
fluido en particular; sin embargo, en la ausencia de datos de laboratorio, las correlaciones son alternativas viables para
estimar dichas propiedades.
Por lo tanto analizaremos correlaciones para estimar propiedades no solo de gases naturales de hidrocarburos líquidos.
Cabe mencionar que las correlaciones son elegidas debido a su precisión, consistencia y simplicidad para análisis manual
o programación en computadora.

1.2 Revisión de definiciones y principios fundamentales
Antes de discutir los cálculos de propiedades de fluidos y correlaciones, revisaremos algunas definiciones y principios
fundamentales necesarias para entender propiedades de fluidos y sus cálculos con correlaciones. Esta revisión incluye los
conceptos:
fracción molar
volumen molar
comportamiento de gas ideal-real (Presiones y Temperaturas Pseudo criticas, Factor Z, Compresibilidad etc etc )
principios de estados correspondientes

1.2.1 Moles y fracción molar
Una libra mol (lb-mol) es una cantidad de materia con una masa en libras igual al peso molecular. Definiciones similares aplican
al gramo-mol, kilogramo-mol, etc. Por ejemplo, 1 lb-mol de metano (CH4) es 16.043 lb; 1 g-mol de metano (CH4) es 16.043 g.
La fracción mol de un componente en una mezcla es el numero de libras mol de ese componente dividido por el numero total
de moles de todos los componentes en dicha mezcla. Para un sistema con n componentes, la fracción mol es:
𝑦𝑖 =
𝑛𝑖
σ𝑗=1
𝑛𝑐 𝑛𝑗
(1.1)
Donde yi=fracción mol del i-ésimo componente, nj= número de libras-mol del i-ésimo componente, y nc= número de
componentes en el sistema.

1.2.1 Moles y fracción molar
Ejemplo:
Calcule el número de g-mol de los siguientes componentes de la siguiente mezcla, tomando como base 2 gramos de cada
compuesto:
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12

1.2.2 Ley de gases ideales
Para iniciar nuestra discusión sobre el comportamiento de gases reales, primero debemos discutir a un hipotético gas llamado
como GAS IDEAL. Las propiedades que definen a un gas ideal incluyen:
1. El volumen de las moléculas es insignificante comparado con el volumen total que encierra el gas.
2. No existen fuerzas repulsivas o atractivas entre las moléculas o entre las moléculas y las paredes del recipiente que contiene
al gas.
3. Todas las colisiones de las moléculas son perfectamente elásticas, es decir, no existe perdida de energía interna en caso de
colisión.
Una ecuación que describe la relación entre el volumen ocupado por un gas y la presión y temperatura es llamada como
ECUACIÓN DE ESTADO (EDE). La forma de una EDE de un gas ideal fue desarrollada a partir de observaciones empíricas, la cual,
para una masa dada de gas a una temperatura constante, el producto pV, es constante (Ley de Boyle) y para una masa dada de
un gas a una presión constante, la relación volumen/temperatura (v/T) es constante (Ley de Charles). Combinando la Ley de
Charles y la Ley de Boyle, se puede obtener la EDE para un gas ideal:
𝑝𝑉 =nRT (1.2)
Donde p= presión, Psia; V= volumen, ft3; n= número de libras-mol; R= Constante universal de los gases ideales,
10.732 Psia.ft3/°R.Lb-mol; y T= Temperatura absoluta, °R. Note que las unidades de la Constante universal de los gases ideales
varían dependiendo de las unidades de las otras variables en la Ecuación 1.2. Valores de R en varias unidades se puede
encontrar fácilmente.

GAS IDEAL (Suposiciones):
1. El volumen de las moléculas es insignificante comparado
con el volumen total que encierra el gas.
2. No existen fuerzas repulsivas o atractivas entre las
moléculas o entre las moléculas y las paredes del recipiente
que contiene al gas.
3. Todas las colisiones de las moléculas son perfectamente
elásticas, es decir, no existe perdida de energía interna en
caso de colisión.

Unidades de la Constante universal de los gases ideales

1.2.3 Volumen molar
El concepto de volumen molar, Vm, es utilizado para convertir una masa dada de gas a su volumen correspondiente a
condiciones de temperatura y presión estándar. Este concepto implica que para un conjunto dado de condiciones estándar, el
volumen molar es constante y puede ser utilizado para convertir masa a volumen o, viceversa, es decir, convertir volumen en
condiciones estándar a masa.
Combinando la definición de volumen molar, V= V/n, y la ley de los gases ideales dada por la ecuación (1.2), se obtiene:
𝑉
𝑚 =
𝑅𝑇𝐶𝐸
𝑃𝐶𝐸
(1.3)
Asumiendo condiciones estándar de TCE=60°F+459.67=519.67 °R y PCE=14.65 Psia, entonces la ecuación (1.3) se convierte en:
𝑉
𝑚 =
10.732
𝑃𝑠𝑖𝑎∙𝑓𝑡3
𝑙𝑏−𝑚𝑜𝑙∙°𝑅
× 519.67 °𝑅
14.65 𝑃𝑠𝑖𝑎
= 380.7
𝑓𝑡3
𝑙𝑏−𝑚𝑜𝑙
(1.4)
El valor de volumen molar depende de las condiciones estándar de presión y temperatura, por lo tanto, definir esas condiciones
es muy importante. A menos que se notifique, las condiciones estándar serán PCE=14.65 Psia y TCE=60°F. Además, para obtener
el volumen molar en la ecuación (1.4), fue necesario convertir la TCE de °F a °R utilizando una constante de conversión de
459.67.

1.2.4 Comportamiento de Gas Real
La ley de gas real es simplemente la relación presión/volumen (es decir, EDE) predicha mediante la ley de gas ideal modificada
mediante un factor de corrección que contiene o considera el comportamiento no ideal de un gas. La ley de gas real es:
𝑃𝑉 = znRT (1.5)
Donde z= Cantidad adimensional llamado factor z, factor de compresibilidad, o factor de desviación del gas. El factor z corrige la
ecuación (1.2) para un gas ideal y permite describir el comportamiento de un gas real. Bajo condiciones ideales de presión y
temperatura, z=1.0. El factor z, el cual depende de la presión, temperatura y composición del gas, puede ser medido en el
laboratorio sobre una muestra de gas de yacimiento o, mas a menudo, obtenido de correlaciones.
1.2.5 principios de estados correspondientes
Varios propiedades de gases tienen los mismos valores para gases similares (tales como hidrocarburos parafinicos, cadenas
lineales de carbono) en idénticos valores de temperatura y presión reducida. La temperatura y presión reducida para
compuestos puros se definen como:
El factor de compresibilidad z indica la salida del comportamiento del gas ideal. Para un
gas ideal, z es igual a la unidad.
𝑝𝑟 =
𝑝
𝑝𝑐
(1.6)
𝑇𝑟 =
𝑇
𝑇𝑐
(1.7)

1.2.4 Comportamiento de Gas Real

El punto crítico (pc, Tc) para una sustancia pura es la presión y temperatura a la cual las propiedades de una fase liquido y vapor
son idénticas. A presiones por encima de pc, liquido y gas no pueden coexistir, independientemente de la temperatura; A
temperaturas por encima de Tc, las sustancias no pueden ser licuadas, independientemente de la presión. Para sustancias puras,
Tc y pc son determinadas experimentalmente. Para mezclas, Tpc y ppc son calculadas con algún conjunto consistente de reglas de
mezclado o son estimados a partir de correlaciones. Estos valores calculados de Tpc y ppc no son valores críticos; es decir, las
propiedades de las fases vapor y liquido no son idénticos en el punto (Tpc y ppc ).
La presión pseudo reducida y temperatura pseudo reducida para mezclas se define como:
𝑝𝑝𝑟 =
𝑝
𝑝𝑝𝑐
(1.8)
𝑇𝑝𝑟 =
𝑇
𝑇𝑝𝑐
(1.9)
Donde pc= presión crítica para un gas puro, psia; ppc= presión pseudo crítica para una mezcla de gases, Psia; Tc= temperatura
crítica para un gas puro, °R; Tpc= temperatura pseudo crítica para una mezcla de gases, °R.
La observación de que ciertas propiedades del gas, tales como el factor z, deben de ser aproximadamente iguales en una
temperatura y presión reducida dada para gases puros y para gases similares forma la base para el principio de los estados
correspondientes. Este comportamiento también ha sido observado para mezclas de gases similares quimicamente; por lo
tanto, correlaciones de factor z para gases puro y mezclas de gases se basan en este principio.

Un punto crítico es aquel límite para el cual el volumen de un
líquido es igual al de una masa igual de vapor o, dicho de otro
modo, en el cual las densidades del líquido y del vapor son
iguales.
Un fluido supercrítico (FSC) es cualquier sustancia que se
encuentre en condiciones de presión y temperatura superiores
a su punto crítico, lo que hace que se comporte como un
híbrido entre un líquido y un gas, es decir, puede difundirse
como un gas (efusión), y disolver sustancias como un líquido
(disolvente).

1.3 Propiedades de gases naturales
La Tabla 1.1 lista las propiedades físicas de componentes puros que se producen en los gases naturales. Estas propiedades están
evaluadas a condiciones estándar de pce=14.7 psia y Tce= 60°F, e incluye peso molecular, presión y temperatura crítica, densidad
ideal, y viscosidad (componentes más ligeros que pentano únicamente). Esas propiedades de componentes puros son usadas en
cálculos basadas en regla de mezclados para desarrollar pseudo propiedades para mezclas de gases, incluyendo peso molecular
aparente y gravedad especifica aparente.

1.3 Propiedades de gases naturales

Debido a que una mezcla de gases esta compuesta de moléculas de varios tamaños y pesos moleculares, No tiene un peso
molecular explícito propio. Sin embargo, una mezcla de gases se comporta como si esta tuviera un peso molecular definido.
Este peso molecular observado para una mezcla de gases con nc componentes es llamada peso molecular promedio molar o
aparente y es determinado mediante:
𝑀 = ෍
𝑖=1
𝑛𝑐
𝑦𝑖𝑀𝑖 (1.10)
Donde M= peso molecular aparente de una mezcla de gases, lb/lb-mol; Mi= peso molecular del i-ésimo componente de gas,
lb/lb-mol; y yi= fracción molar de la fase gas del i-ésimo componente, fracción.
1.3.2 Gravedad especifica de un gas
La gravedad especifica de un gas , ϒg, es definido como la relación de densidades de un gas y aire seco cuando ambos son
medidos a la misma temperatura y presión:
𝛾𝑔 =
𝜌𝑔
𝜌𝑎
(1.11)
Donde ρg= densidad de mezcla de gas, lb/ft3; y ρa=densidad del aire, lb/ft3.

A condiciones estándar (tales como 14.65 Psia y 60 °F), ya sea aire y gas natural son modelados precisamente mediante la ley de
gases ideales. Bajo esas condiciones, si utilizamos la definición libra-mol (n=m/M) y densidad (ρ=m/V) y modelamos el
comportamiento de ya sea el gas y aire mediante la EDE de gas ideal, podemos expresar la gravedad especifica de una mezcla de
gas como:
Donde ϒg= gravedad especifica de el gas (aire=1); M= peso molecular aparente del gas, lb/lb-mol; y Ma= peso molecular del
aire= 28.9625 lb/lb-mol.
1.4 Calculo de propiedades pseudo criticas de gas
Aunque la ecuación (1.12) es derivada bajo las suposiciones de un gas ideal (precisamente a condiciones estándar), su uso como
definición de gases reales y mezclas de gases reales es común en la industria del gas natural.
𝛾𝑔 = ൙
𝑝𝑀
𝑅𝑇
𝑝𝑀𝑎
𝑅𝑇
=
𝑀
𝑀𝑎
(1.12)
En esta sección se discutirán dos métodos para el calculo de temperatura y presión pseudo crítica de una mezcla de gas de un
hidrocarburo. Estas propiedades pseudo criticas proporcionan una agrupación de medios para correlacionar las propiedades
físicas de las mezclas con el principio de los estados correspondientes. Como se enunció previamente, el principio de estados
correspondientes sugiere que para gases puros (y gases similares) tienen la misma desviación a la idealidad o factor z a los
mismos valores de temperatura y presión reducida. Otras propiedades físicas de gases también han sido correlacionadas con el
principio de estados correspondientes. Mezclas de gases químicamente similares pueden ser correlacionadas con la
temperatura y presión reducida.

El primer método el cual es un conjunto de reglas de mezclado desarrollado por Stewart et al. (1959) requiere que la
composición del gas sea conocida. Aunque su método requiere más cálculos que algunos otros métodos iniciales (método
propuesto por Kay (1936)), por ello, las reglas de mezclado propuesto por Stewart et al. (1959) han probado ser más precisos.
El segundo método, desarrollado por Sutton (1985), proporciona un método para estimar propiedades pseudocroticas cuando
la composición del gas es desconocida. El método de Sutton (1985) requiere considerablemente menos aritmética que el
método de reglas de mezclado de Stewart et al. (1959) y es el método preferido cuando el factor velocidad o tiempo es más
importante que la precisión en las propiedades calculadas. Aunque el método de Sutton (1985) únicamente utiliza la gravedad
especifica del gas en lugar de la composición detallada de los hidrocarburos, el método de Sutton (1985) es más preciso que el
método propuesto por Kay (1936).
1.4.1 Estimación de las propiedades pseudo criticas cuando la composición del gas es conocida: Reglas de mezclado de
Stewart et al. (1959)
Stewart et al. (1959) compararon 21 diferentes reglas de mezclado y concluyeron que el mejor método esta dado por las
ecuaciones (1.19) a (1.24). Sus reglas de mezclado ofrecen los resultados más consistentes de las reglas de mezclado cúbicos
simple cuando los datos experimentales son comparados con resultados calculados. Con “Reglas de mezclado cúbicos simple”
nos referimos a una EDE cúbica (p ej EDE de Van der Waals o Redlich-Kong). Debido a que esas reglas de mezclado
proporcionan resultados más precisos, el método de Stewart et al. (1959) debe ser utilizado para estimar temperaturas y
presiones pseudo críticas para el estimado de factor z, compresibilidad del gas y viscosidad de gas.
El método de Stewart et al. (1959) se explica a continuación. Cabe mencionar que el procedimiento corrige para componentes
de alto peso molecular (Ecuaciones (1.16) a (1.18)). Las ecuaciones de Kessler-Lee (Ecuaciones (1.13) a (1.15)) son utilizadas
para calcular las propiedades criticas de la fracción de heptanos-superior (C7+).

Procedimiento de calculo-Método de Stewart et al. (1959)
1. Si una fracción significante de componentes pesados (C7 y más pesados) esta presente en la mezcla de gas natural,
mediciones de laboratorio de pesos moleculares y gravedad especifica de la fracción C7+ son requeridos para usar las reglas de
mezclado para calcular la gravedad de especifica de mezclado y propiedades pseudo criticas. Las ecuaciones de Whitson (1987)
y Kessler-Lee (1976) (Ecuaciones (1.13) a (1.15)) son recomendadas para estimar las propiedades criticas de la fracción C7+.
A. Primero, estime la temperatura de ebullición de la fracción C7+.
B. Estime la presión pseudocrítica de la fracción C7+.

C. Estime la temperatura pseudocritica de la fracción C7+.
2. Determine los factores de correlación Fj, ξj y ξk, para componentes de alto peso molecular utilizando el método de Sutton
(1985)

3. Obtenga las presiones y temperatura criticas de los componentes restantes a partir de la Tabla 1.1 o referencias 2 a 4.
4. Determine la presión y temperatura pseudocritica del gas
A. Calcule los parámetros J y K

4. Determine la presión y temperatura pseudocritica del gas
B. Corrija los parámetros J y K para la fracción C7+.
C. Calcule la presión y temperatura pseudocritica

Ejemplo 1.1- Calculo de las propiedades pseudo criticas para un gas natural dulce mediante la regla de mezclado de Stewart et
al. (1959).
Calcule el peso molecular aparente, gravedad especifica del gas y la temperatura y presión pseudo critica del gas dulce descrito
en la Tabla 1.2. Un gas dulce es un gas natural sin contaminación de H2S. El peso molecular y la gravedad especifica de la
fracción C7+ son 114.2 lb/lbmol y 0.7070, respectivamente.

Tabla 1. Composición gas natural dulce para ejemplo 1
Componente yi Mi yiMi Tc, °R Pc, Psia
N2 0.0138 28.013 0.3866 227.16 493.1 0.006357 0.0093665 0.1412
CH4 0.9302 16.043 14.9232 343 666.4 0.478779 0.6673534 12.3596
C2H6 0.0329 30.07 0.9893 549.59 706.5 0.025593 0.0290174 0.6803
C3H6 0.0136 44.097 0.5997 665.73 616 0.014698 0.0141383 0.3648
i-C4H10 0.0023 58.123 0.1337 734.13 527.9 0.003199 0.0027123 0.0735
n-C4H10 0.0037 58.123 0.2151 765.29 550.6 0.005143 0.0043621 0.1207
i-C5H12 0.0012 72.15 0.0866 828.77 490.4 0.002028 0.0015600 0.0449
n-C5H12 0.001 72.15 0.0722 845.47 488.6 0.001730 0.0013154 0.0382
C6H14 0.0008 86.177 0.0689 913.27 436.9 0.001672 0.0011566 0.0350
C7+ 0.0005 114.23 0.0571 1005.3 375.5 0.001339 0.0008181 0.0259
Σ 1 17.5323 0.540538 0.7318003 13.8840
𝒚𝒊𝑻𝒄𝒊
𝑷𝒄𝒊
yi
Tci
Pci
yiTci
Pci

Tarea 1- Calculo de las propiedades pseudo criticas para un gas natural agrio mediante la regla de mezclado de Stewart et al.
(1959).
Calcule el peso molecular aparente, gravedad especifica del gas y la temperatura y presión pseudo critica del gas agrio descrito
en la Tabla 1.5. Un gas agrio es un gas natural con contaminación de H2S. El peso molecular y la gravedad especifica de la
fracción C7+ son 107.1 lb/lbmol y 0.5070, respectivamente.

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