Presentación sobre el comportamiento de fases y sus propósitos en la industria petrolera (gas natural).

1. PROPÓSITOS DEL
COMPORTAMIENTO DE
FASES Y APLICACIONES.

2. UNIVERSIDAD POPULAR DE LA
CHONTALPA
Equipo 3:
+Álvarez flores Eduardo
+De Dios Hernández Jennifer
+Estrada López José Luis
+Torres Hernández Jocelyn Joana
8to semestre Grupo: B3 Turno: Vespertino
Materia: Tecnología del Gas Natural.
Maestra: Isela del Carmen Román Hernández.

3. INTRODUCCIÓN
El gas natural y el petróleo crudo son mezclas de hidrocarburos naturales; generalmente se
les conoce como fluidos de petróleo. Estos fluidos se encuentran bajo tierra en condiciones
de presión y temperatura elevadas.
La mayoría de los protocolos de manejo de fluidos requieren que el ingeniero conozca a
prioridad cómo se comportarán los fluidos bajo un amplio rango de condiciones de presión
y temperatura, particularmente en términos de sus propiedades volumétricas y termo
físicas.
Por ejemplo, los ingenieros deben saber si el depósito contiene un gas seco, un gas
húmedo o un condensado de gas antes de diseñar la instalación de producción de
superficie. Esto se denomina colectivamente comportamiento en fase fluida.

4. CONCEPTOS A RECORDAR…
Sistema: Parte del espacio aislada por fronteras reales o hipotéticas, cuyo objeto principal
es el estudio del mismo así como las interacciones entre los elementos que lo conforman.
Fase: Es una parte en un sistema con consistencia homogénea y distinta a las demás
fracciones que lo conforman, por lo que está separada por superficies fronterizas. Las
diferentes fases se identifican por su volumen o densidad.
Comportamiento de fase: Es el cambio que existe entre las fases al modificar sus
condiciones de temperatura y presión para las cuales pueden existir.
Diagrama de fase: Gráficas obtenidas de manera experimental y matemática del
comportamiento de las fases y los límites físicos para la existencia de cada una de ellas.

5. Punto de burbuja: En una expansión a temperatura constante, el punto en el
cual se forma una cantidad infinitesimal de vapor se denomina presión de
burbujeo.
Punto de rocío: En una expansión a temperatura constante, el punto en el cual
se tiene solamente una cantidad infinitesimal de líquido es conocido como
presión de rocío.
CONCEPTOS A RECORDAR…

6. PROPÓSITO DEL COMPORTAMIENTO DE FASES
El Comportamiento de Fase tiene muchas implicaciones en la ingeniería de gas natural
y petróleo. Se requieren relaciones de presión, volumen y temperatura (PVT) para
evaluar reservas, pronosticar la producción, diseñar instalaciones de producción y
diseñar sistemas de recolección y transporte.

8. Los análisis PVT son absolutamente necesarios para llevar a cabo el diseño de
instalaciones de producción, análisis nodales, diversas actividades de la ingeniería de
yacimientos; permiten obtener cálculos como el poder del yacimiento, predecir su
vida productivo; definir los esquemas óptimos de producción , evaluar métodos de
recuperación mejorada y demás propiedades que predicen el comportamiento de
los pozos a medida que son explotados. La nuevas herramientas y equipos
disponibles de manejo automatizado y computarizado, hacen más factibles la
realización de los estudios.

9. El conocimiento de las fases permite hacer predicciones de su comportamiento, modelado de
fenómenos físicos con diferentes aplicaciones a las ingenierías, en un caso particular, en la
industria petrolera, donde dependiendo del comportamiento de los fluidos será posible diseñar
planes de producción, diseño de instalaciones y metodologías adecuadas para la transformación
y aprovechamientos de los recursos naturales como el petróleo, el gas natural, el agua y el
vapor de agua.

10. El objetivo principal de la ingeniería del equilibrio entre fases es el diseño de las
condiciones del sistema para alcanzar el escenario de fases que el proceso a desarrollar
requiere.
La mezcla a tratar y el proceso a llevar a cabo iluminan la búsqueda de las variables
termodinámicas del proceso que permitan alcanzar el estado de fases requerido.
La solución de este tipo de problemas requiere especificar una amplia gama de variables
de diseño: presión, temperatura, composición de la alimentación, agentes de arrastre,
solventes, condiciones supercríticas, etc. para modificar el escenario de fases.

11. El conocimiento del equilibrio entre fases es requerido para el diseño
de todo tipo de procesos químicos: destilación, extracción,
reacciones, flujo de fluidos, micronización de partículas, etc. Por
cierto, en cada caso diferentes escenarios de fases son requeridos
para un diseño racional y conceptual del proceso.
Los diagramas de fases son herramientas esenciales para la ingeniería
del equilibrio entre fases y uno puede encontrar en ellos guías claves
para determinar regiones factibles y óptimas para el proceso.

12. CARTA DE COX PARA CALCULAR PRESIONES
DE PARAFINAS NORMALES.

13. CARTA DE COX PARA CALCULAR PRESIONES DE VAPOR
DE PARAFINAS ISOMERICAS.

14. En estas cartas la escala de la presión de vapor es logarítmica en el eje de las
abscisas, mientras la escala de la temperatura es arbitraria en el eje de las
ordenadas.
• Estas cartas permiten una rápida estimación de la presión de vapor, p, de una
sustancia pura a una temperatura, T.
• El punto crítico se observa en el punto de cada presión de vapor.
• La línea de presión de vapor no se debe de extrapolar a temperaturas mayores
que a la temperatura crítica. Sin embargo, en algunos cálculos prácticos es válido
extrapolar estas líneas de vapor.

15. DIAGRAMA DE COX
Cartas de Cox para el cálculo de la presión de vapor.
Es un buen método para trazar la presión de vapor como una función de la
temperatura en componentes puros. Proporcionan una rápida estimación de la presión
de vapor para una sustancia pura a una temperatura definida.
La siguientes figuras, representan cartas de COX de presiones de vapor para parafinas
normales e hidrocarburos parafínicos, isoméricos, respectivamente.
Método para determinar la presión de vapor
para una sustancia pura.

16. 1. EJEMPLO DE EJERCICIO:
Complete la siguiente tabla de estados de agregación con ayuda de las Cartas de Cox:
Compuest
o
Temperat
ura(°𝑭)
Presión( 𝒍
𝒃/ 𝒑𝒈𝟐𝒂𝒃𝒔
)
Presión de
vapor( 𝒍𝒃/
𝒑𝒈𝟐𝒂𝒃𝒔)
Estado de
agregación
Etano 78 400
i-Pentano 140 120
Nonano 200 10
• Se requiere conocer la presión de vapor de cada componente, misma que
puede ser obtenida de la Carta de Cox, sobre la misma se selecciona el
compuesto y se interseca con una línea isotérmica, el valor de esta en
presión determinará el estado de agregación.
Solución

17. Etano
T=78 °F
Pv= 680 Ib/
in.2
Pentano
T=140 °F
Pv= 40 Ib/ in.2
Nonano
T=200°F
Pv= 2.40 Ib/
in.2

18. a) Etano
La presión de vapor obtenida de las cartas de Cox es de 𝟔
𝟖𝟎 ( 𝒍𝒃 𝒑𝒈𝟐𝒂𝒃𝒔), mientras que la presión en cuestión es
de 400 ( 𝒍𝒃 𝒑𝒈𝟐𝒂𝒃𝒔), como la 𝑃 < 𝑃𝑣 , entonces el etano
se encuentra en estado vapor.
b) Pentano
La presión de vapor obtenida es de 𝟒𝟎 ( 𝒍𝒃 𝒑𝒈𝟐𝒂𝒃
𝒔) y la presión proporcionada es de 120 ( 𝒍𝒃 𝒑𝒈𝟐𝒂𝒃
𝒔), como la 𝑃 > 𝑃𝑣 , entonces el pentano se
encuentra en estado líquido.
c) Nonano
La presión de vapor obtenida en las cartas de Cox es de 𝟐.
𝟒 ( 𝒍𝒃 𝒑𝒈𝟐𝒂𝒃𝒔), mientras que la presión es de 10 ( 𝒍𝒃 𝒑𝒈
𝟐𝒂𝒃𝒔), como la 𝑃 > 𝑃𝑣 , por lo tanto el nonano se
encuentra en estado líquido.

19. Compuesto Temperatura(
°𝑭)
Presión( 𝒍𝒃/ 𝒑
𝒈𝟐𝒂𝒃𝒔)
Presión de
vapor( 𝒍𝒃/ 𝒑𝒈
𝟐𝒂𝒃𝒔)
Estado de
agregación
Etano 78 400 680 Vapor
i-Pentano 140 120 40 Liquido
Nonano 200 10 2.4 Liquido
TABLA RESUELTA:

20. 2. EJEMPLO DE EJERCICIO
Calcular las composiciones y cantidades de gas y líquido formado cuando 𝟏
𝟎 𝒍𝒃𝒎 −mol de una mezcla formada de 𝟑𝟓 % mol del componente A
(metano) y 𝟔𝟓 % del componente B (etano) se lleva a un estado de
equilibrio a −𝟑𝟐 °𝑭 y 𝟕𝟓𝟎 𝒍𝒃 𝒑𝒈𝟐𝒂𝒃𝒔 .
Emplear el diagrama de fases presión-composición de la Fig. 3.11.

21. Solución:
Se localiza sobre el diagrama el punto 1, que será sobre la curva de −32° 𝐹, en
750 𝑙𝑏 𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 y 35% mol de composición. Se traza una línea horizontal que
interseque a la curva de los puntos de burbuja este será el punto 2 y finalmente
otra línea que toque a la curva de los puntos de rocío y este será el punto 3.
Se leen las composiciónes trazando líneas perpendiculares a la línea formada
anteriormente en los puntos 2 y 3 y que intersequen el eje de composición, el
punto 2 corresponde a la composición del metano y el punto 3 a la del etano.

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Componente Composición de
líquido (%mol)
Composición de
gas (%mol)
Metano 24 43
Etano 100 – 24 =76 100 – 43 =57
TOTAL 100 100
Composición del líquido y gas del
ejercicio
Diagrama de presión composición para una
mezcla de dos componentes con A-Metano
y B-Etano.

23. Con la longitud de las líneas de unión se calculan las
cantidades de líquido y gas:
𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 =
12
23
=
35 − 24
43 − 24
=
11
19
= 0.57
𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 =
13
23
=
43 − 35
43 − 24
=
8
19
= 0.42
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 = 0.57 10 𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙 = 5.7 𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 = 0.42 10 𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙 = 4.2 𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙

24. PROCESOS DE CAMBIO
DE FASE EN
SUSTANCIAS PURAS

28. Ecuación de Rackett (1911)
Su función es predecir la densidad de un líquido saturado de componentes puros.
𝜌𝑙 =
𝑀 𝑝𝑐
𝑅𝑇𝐶𝑍𝐶
[1+(1−𝑇𝑟)2/7 ]
𝐸𝑐 3.5
𝑍𝐶 =
𝑀 𝑝𝑐𝑉
𝑐
𝑅𝑇𝐶
𝐸𝑐 3.6
𝑇𝑟 =
𝑇
𝑇𝐶
𝐸𝑐 3.7
Donde:
𝜌𝑙 : densidad del líquido saturado ( 𝑙𝑏𝑚/𝑓𝑡3 ).
𝑃𝑐 : presión crítica ( 𝑙𝑏/ 𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠).
𝑉𝑐 : Volumen crítico ( 𝑓𝑡3/ 𝑙𝑏𝑚).
𝑇𝑟 : Temperatura reducida adimensional.
R: Constante universal de los gases: 10.732
𝑙𝑏
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙 °𝑅
𝑀: Peso molecular ( 𝑙𝑏𝑚 / 𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙).
𝑇𝐶: Temperatura crítica (°𝑅).
𝑍c : Factor de compresibilidad del gas
T: Temperatura °𝑅.

29. Ecuación de Rackett modificada.
Se reemplaza el factor de compresibilidad
crítico 𝑍𝑟 con el parámetro 𝑍𝑅𝐴, este es una
constante única para cada componente
𝜌𝑙 =
𝑀 𝑝𝑐
𝑅𝑇𝐶𝑍𝑅𝐴
[1+(1−𝑇𝑟)2/7 ]
𝐸𝑐 3.8
Algunos valores para 𝑍𝑅𝐴 se muestran en la
Tabla 3.1. En caso de no encontrar un valor
de 𝑍𝑅𝐴, la ecuación 3.9 permite determinar
un valor:
𝑍𝑅𝐴 = 0.29056 − 0.08755𝜔 𝐸𝑐 3.9
Tabla 3.1: Constantes físicas de algunos compuestos
(GPSA,1987).
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚

30. Ejercicio
En un recipiente se tiene n-butano a 𝟐𝟓𝟎 °𝑲, calcular la densidad de dicho gas utilizando:
a) La correlación de Rackett.
b ) La Ecuación de Rackett modificada.

31. Solución
a)
Paso 1:
Se debe obtener el valor de 𝑍𝑐 y 𝑇𝑟, los
cuales se obtienen de la Tabla 3.1.
𝑃𝐶 = 550.60 𝑙𝑏/𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑀 = 58.12030 𝑙𝑏𝑚/ 𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙
𝑇𝐶 = 305.62°𝐹
𝑉𝐶 = 0.0703 𝑓𝑡3/𝑙𝑏m
Tabla. 3.1 Constantes físicas de algunos compuestos
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚

32. Paso 2:
Se calcula ZC a partir de la ecuación de estado para los gases reales en función del factor de
compresibilidad Z a condiciones criticas (Ec. 3.6):
𝑍𝐶 =
𝑀 𝑝𝑐𝑉
𝑐
𝑅𝑇𝐶
𝐸𝑐 3.6
𝑍𝐶 =
(550.60
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
) (58.1203
𝑙𝑏𝑚
lbm 𝑚𝑜𝑙
)(0.0703
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚
)
(10.732
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙 °𝑅
)(765.32 °𝑅)
= 0.2739
RECORDAR que Tc es en grados Rankine por lo que hay que realizar un factor de
conversión el cual es el siguiente:
T(R)=T(°F)+459.67
T(R)= 305.62°𝐹 + 459.67
T(R)= 765.29 R

33. Análisis dimensional
𝑍𝐶 =
(
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
) (
𝑙𝑏𝑚
lbm 𝑚𝑜𝑙
)(
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚
)
(
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙 °𝑅
)( °𝑅)
=
𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
𝑙𝑏𝑚 𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙
= ⋯
… =
𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
𝑙𝑏𝑚 𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙
=
𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
𝑙𝑏𝑚 𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙
1
=
𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
𝑙𝑏𝑚 𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙
=
𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
=
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙 𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙 𝑓𝑡3
= 1 (𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙)

34. Paso 3
Para 𝑇𝑅, se convierte la temperatura a °𝑅 y se sustituye en la ecuación 3.7:
°𝑅 = 1.8𝑇𝐾 = 1.8(250𝐾) = 450°𝑅
𝑇𝑟 =
𝑇
𝑇𝐶
𝐸𝑐 3.7
𝑇𝑟 =
450°R
765.31°R
= 0.5879
Paso 4
Calculamos la densidad del líquido, sustituyendo en la ecuación de Racket:
𝜌𝑙 =
(58.1203
𝑙𝑏𝑚
lbm 𝑚𝑜𝑙
) (550.60
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
)
(10.732
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙 °𝑅
)(765.32 °𝑅)(0.2739)
[1+(1−0.5879)2/7 ]
= 38.87
𝑙𝑏𝑚
𝑓𝑡3

35. Análisis dimensional
𝜌𝑙 =
(
𝑙𝑏𝑚
lbm 𝑚𝑜𝑙
) (
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
)
(
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙 °𝑅
)(°𝑅)
=
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
𝑙𝑏𝑚𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙
1
=
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
𝑙𝑏𝑚𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙
=
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
𝑓𝑡3
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
𝑙𝑏𝑚 𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠 𝑚𝑜𝑙 𝑓𝑡3
=
𝑙𝑏𝑚
𝑓𝑡3

36. c) Para la ecuación de Rackett modificada:
Se obtiene el valor de 𝑍𝑅𝐴 para el n-butano de la Tabla
3.1 que luego se sustituye en la ecuación 3.8
𝑍𝑅𝐴 = 0.2730
Y el valor de 𝑇𝑟 es el que se obtuvo del inciso anterior
𝜌𝑙 =
𝑀 𝑝𝑐
𝑅𝑇𝐶𝑍𝑅𝐴
[1+(1−𝑡𝑟)2/7 ]
𝐸𝑐 3.8
𝜌𝑙
=
(58.1203
𝑙𝑏𝑚
lbm 𝑚𝑜𝑙
) (550.60
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
)
(10.732
𝑙𝑏𝑚
𝑝𝑔2𝑎𝑏𝑠
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚 𝑚𝑜𝑙 °𝑅
)(765.32 °𝑅)(0.2730)
[1+(1−0.5879)2/7 ]
= 39.09
𝑙𝑏𝑚
𝑓𝑡3
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚

37. CONCLUSIÓN
Para concluir se comprende que diagrama de fases es una representación gráfica de las
condiciones de presión y temperatura en la que existen los sólidos, líquidos y gases. Si
construyéramos un gráfico presión-temperatura en donde cada punto del gráfico representaría
una condición determinada de p y t, representaríamos una situación en la que puede encontrarse
cada una de las sustancias en su estado físico.
Por lo tanto para los hidrocarburos se han clasificado los yacimientos de acuerdo a un diagrama
de fases (composición). Los yacimientos suelen clasificarse por las condiciones de temperatura
y presión iníciales respecto a la región gas-petróleo (dos fases), en estos diagramas se relacionan
temperatura y presión para así poder caracterizar un yacimiento o reservorio, este análisis del
comportamiento térmico de fase es fundamental para definir el estado (liquido y/o gas) en el que
encuentran los fluidos.
Lo cual nos indica que si tenemos bajas temperaturas y alta presiones es de esperar que los
átomos se dispongan de una manera ordenada (sólidos), a temperaturas altas y bajas presiones
(gases) y temperaturas y presiones intermedias (líquidos).

38. REFERENCIAS
• Adewumi, M. (2 de Noviembre de 2022). Relaciones de Fase en Ingeniería de
Embalses (Adewumi). Obtenido de espanol.libretexts.org:
https://espanol.libretexts.org/Ingenieria/Ingenier%C3%ADa_Qu%C3%ADmica/
Relaciones_de_Fase_en_Ingenier%C3%ADa_de_Embalses_(Adewumi)/01%3A
_Introducci%C3%B3n_y_Prop%C3%B3sito/1.01%3A_Introducci%C3%B3n
• Çengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2012). Mecánica de fluidos: Fundamentos y
aplicaciones (2a. ed.--.). México D.F.: McGraw Hill.
• González, B. T. (2016). Cuaderno de Ejercicios de Propiedades de los Fluidos
Petroleros . Ciudad de México : UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA
DE MÉXICO.
• Pereda, S., & Brignole, E. A. (2014). NGENIERÍA DEL EQUILIBRIO ENTRE
FASES. Bahía Blanca, Argentina: Universidad Nacional del Sur.