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Propiedades Físicas del Gas Natural
CAPÍTULO 2Propiedades Físicas del Gas Natural
2.1 INTRODUCCIÓN
El cálculo de las propiedades físicas del gas natural y sus condensados
representa la base para la elaboración de los proyectos técnicos. Estas propiedades
se pueden calcular a un nivel riguroso por medios computarizados o por medio de
fórmulas, correlaciones, graficas o cartas con un nivel de aproximación aceptable.
De todas formas se recomienda el uso de métodos manuales cuando no hay
disponibilidad de medios computarizados.
En el presente capitulo se ha recopilado una selección de información sobre el
calculo de las propiedades físicas de varias fuentes y trabajos de investigadores del
área que contiene información fidedigna para efectuar cálculos manuales.
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Propiedades Físicas del Gas Natural
2.2 TABLAS DE CONSTANTES FÍSICAS
Para ejecutar los cálculos de propiedades físicas se requiere información del
gas mismo a tratar. Existen dos maneras de efectuar los cálculos:
1) Cálculos composicionales:
En este tipo de cálculos se requiere la composición del gas, es decir, el análisis
cromatográfico, debidamente verificado y normalizado. La condición de
normalización comprende los siguientes supuestos:
La sumatoria de las fracciones molares de los componentes es igual
a la unidad.
Se tienen que declarar todos los componentes del gas, incluyendo el
H2S y H2O que usualmente se miden por otro tipo de análisis o
cálculos. El H2S y sus similares sulfurados se miden usualmente en
ppm, v se deben transformar a fracción molar y normalizar en la
composición. El agua a veces no se declara en los análisis en “base
seca”, se debe calcular el contenido de agua y, de la misma forma,
incorporarlo al análisis, a continuación mostramos un ejemplo de
normalización:
Ejemplo:
* Si tenemos un gas de la siguiente composición (Hipotética) en fracciones molares:
C1=0.8 C2=0.1 C3=0.1 (Resultado del análisis cromatográfico, que no considera el contenido de agua, es decir, está en base seca) y un contenido de agua de H2O=0.0014. Realizar la normalización.
Respuesta:
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Propiedades Físicas del Gas Natural
Tenemos que agregar el agua a la composición respetando las proporciones de C1,C2 y C3
entre sí.
El factor = 1 - 0.0014 = 0.9986
Multiplicamos cada fracción molar por el factor:
C1 = 0.8*0.9986 = 0.7988
C2 = 0.1*0.9986 = 0.0999
C3= 0.1*0.9986 = 0.0999
De tal forma que la composición normalizada sería:
C1=0.7988
C2=0.0999
C3=0.0999
H2O=0.0014
La sumatoria de las fracciones molares es igual a 1
2) Cálculos no composicionales
Los cálculos no composicionales no requieren necesariamente la
composición detallada, basta con valores de la gravedad específica,
densidad o grados API para estimar las características del gas.
Las tablas de constantes físicas muestran las principales propiedades físicas de
los compuestos puros y de otras sustancias químicas para los análisis
composicionales relacionadas con el rubro (Tablas 2-1 a 2-6). La fuente es el
GPSA Electronic Data Book.
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Propiedades Físicas del Gas Natural
TABLA 2-1 Constates Físicas de Compuestos Puros
Fuente: GPSA (Figura 23-2)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
TABLA 2-2
Fuente: GPSA (Figura 23-2 continuación)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
TABLA 2-3
Fuente: GPSA (Figura 23-2 continuación)
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TABLA 2-4
Fuente: GPSA (Figura 23-2 continuación)
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TABLA 2-5
Fuente: GPSA (Figura 23-2 continuación)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
TABLA 2-6
Fuente: GPSA (Figura 23-2 continuación)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
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Propiedades Físicas del Gas Natural
2.3 CÁLCULO DE LA COMPRESIBILIDAD DE
GASES
Cuando trabajamos con gases a presiones bajas, las correlaciones de gases
ideales tienen una exactitud generalmente satisfactoria. Si las presiones son
elevadas las correlaciones ideales puede generar errores hasta de cerca del 500%.
El factor de compresibilidad es la corrección necesaria en las condiciones de
proceso para poder describir con exactitud el comportamiento del gas.
Muchas de las aplicaciones requieren ecuaciones de estado desarrolladas por
métodos iterativos. Hay otras correlaciones que presentan una exactitud
conveniente para los cálculos de ingeniería, una de ellas es la ecuación de estado de
los gases, que se expresa de la forma siguiente:
PV = ZmRT / MW = ZnRT
MW = Peso Molecular del gas, Lb/Lbmol
P = Presión del gas, Lpca ó Psia
T = Temperatura del gas, oR
Z = Factor de compresibilidad
R = Constante universal de los gases, 10.73 Lpca .ft3 / oR Lb-mol
m = Masa del gas, Lb
El factor Z es un parámetro adimensional e intensivo, es decir, independiente
de la cantidad de materia considera pero dependiente la composición, temperatura y
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Propiedades Físicas del Gas Natural
presión del gas. La densidad del gas puede ser calculada por medio de la ecuación
modificada de la ecuación de estado de los gases:
Donde:
MW = Peso Molecular del gas
P = Presión del gas, Lpca ó Psia
T = Temperatura del gas, oR
Z = Factor de compresibilidad
10.73 = es la constante universal de los gases, 10.73 Lpca .ft3 / oR Lbmol
ρ = Densidad del gas, Lb/ft3
Para mezclas de gases
La ecuación de estado de los gases se puede aplicar con el cálculo de un peso
molecular aparente según la regla de Kay:
MW = Σ MWi*yi
Después de realizar el cálculo del peso molecular del gas, se hace el cálculo
de la Gravedad Específica (G), mediante la siguiente ecuación:
= MWm/ MWaire
Donde:
MWaire = 28,9625 lbs/lbs-mol
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Propiedades Físicas del Gas Natural
De la misma forma se pueden calcular las propiedades seudocríticas y
seudoreducidas de la presión y temperatura:
Temperatura seudocrítica: Tsc = Σ (yi * Tci)
Presión seudocrítica: Psc = Σ (yi * Pci)
Temperatura seudoreducida: Tsr = T / Σ (yi * Tci) = T / Tsc
Presión seudoreducida: Psr = P / Σ (yi * Pci) = P / Psc
Donde:
yi = Fracción molar de cada componente
P = Presión del gas (operación), Lpca ó Psia
T = Temperatura del gas (operación) , oR
Pci = Presión crítica de cada componente, Lpca ó Psia
Tci = Temperatura crítica de cada componente, oR
Ejemplo No. 1
Determinar las propiedades Seudocríticas, Seudoreducidas y el Peso
Molecular del gas con la composición de la tabla siguiente.
Datos:
P = 500 psia (35,15 kg/cm2)
T = 150 °F = 610 °R (70,56 ºC)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
TABLA 2-7
Componente Fracción Molar,
yi
Temperatura
Crítica de cada
componenteTci , °R
Temperatura
Seudocrítica,Tsc, °R
(yi * Tci)
PresiónCrítica de
cadacomponente
Pci , °R
PresiónSeudocrítica,
Psc, °R(yi * Pci)
Peso Molecularde cada
componente, MW
Peso Molecular
de la mezcla,
(yi * MW)
CH4 0,8319 343,0 285,34 667,0 554,88 16,043 13,346
C2H6 0,0848 549,6 46,61 707,8 60,02 30,070 2,550
C3H8 0,0437 665,7 29,09 615,0 26,88 44,097 1,927
iC4H10 0,0076 734,1 5,58 527,9 4,01 58,123 0,442
nC4H10 0,0168 765,3 12,86 548,8 9,22 58,123 0,976
iC5H12 0,0057 828,8 4,72 490,4 2,80 72,150 0,411
nC5H12 0,0032 845,5 2,71 488,1 1,56 72,150 0,231
nC6H14 0,0063 913,3 5,75 439,5 2,77 86,177 0,543
y = 1 Tsc = 392,66
Psc = 662,13
MWm = 20,426
Solución:
Tsc = 392,66 °R ( -55 ºC)
Psc = 662,13 psia (46,54 kg/cm2)
Tsr = =
Psr = =
MWm = 20,426 lbs/lbs-mol
= MWm/ MWaire = 20,426/28,9625 = 0,7052
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Propiedades Físicas del Gas Natural
Ejemplo No. 2
Determinar las propiedades Seudocríticas, Seudoreducidas y el Peso
Molecular para un Gas Natural, que cuenta con la composición de la tabla
siguiente.
Datos:
Contenido de H2S = 4 ppm (Se asume en especificaciones).
P = 400 psia (28,12 kg/cm2)
T = 200 °F = 660 °R
TABLA 2-8
Componente Fracción Molar,
yi
Temperatura
Crítica de cada
componenteTci , °R
Temperatura
Seudocrítica,Tsc, °R
(yi * Tci)
PresiónCrítica de
cadacomponente
Pci , °R
PresiónSeudocrítica,
Psc, °R(yi * Pci)
Peso Molecularde cada
componente, MW
Peso Molecular
de la mezcla,(yi * MW)
N2 0,003100 227,2 0,70 492,8 1,53 28,013 0,087CO2 0,057900 547,4 31,69 1069,5 61,92 44,010 2,548H2S 0,000004 672,1 0,003 1300 0,01 34,082 0,000
CH4 0,861097 343,0 295,36 667,0 574,35 16,043 13,815
C2H6 0,072300 549,6 39,74 707,8 51,17 30,070 2,174
C3H8 0,005100 665,7 3,40 615,0 3,14 44,097 0,225
iC4H10 0,000200 734,1 0,15 527,9 0,11 58,123 0,012
nC4H10 0,000100 765,3 0,08 548,8 0,05 58,123 0,006
iC5H12 0,000100 828,8 0,08 490,4 0,05 72,150 0,007
nC5H12 0,000100 845,5 0,08 488,1 0,05 72,150 0,007
y = 1 Tsc = 371,28 Psc = 692,38
MWm = 18,881
Solución:
Tsc = 371,28 °R
Psc = 692,38 psia (48,68 kg/cm2)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
Tsr = =
Psr = =
MWm = 18,881 lbs/lbs-mol
= MWm/ MWaire = 18,881/28,9625 = 0,652
El factor Z (Factor de desvío) se puede calcular por el método de Standing de la
Figura 2-1 (Fuente: GPSA Figura 23-4).
Para determinar el valor de Z, se debe ingresar a la siguiente gráfica, usando los
valores de Temperatura Seudoreducida y la Presión Seudoreducida. La Fig. 2-1
conocida como método de Standing es una de las más utilizadas para el cálculo de
factor de compresibilidad.
Se pueden apreciar valores del factor de compresibilidad mayores y menores a
la unidad. Los valores cercanos a la unidad se alcanzan a presiones moderadas y
temperaturas cercanas a las condiciones normales, en las regiones lejanas a las
condiciones ideales los valores de Z varían acentuadamente para compensar las
variaciones con el comportamiento ideal.
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-1. Método de Standing
Fuente: GPSA (Figura 23-4)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
Ejemplo No. 3
Hallar el valor del factor de desvío Z, para el gas de Carrasco usado en el
Ejemplo 2.
TSR = 1,777
Z = 0,968
PSR = 0,578
Además, también se puede realizar un cálculo rápido por medio de las Fig 2-2,
2-3 y 2-4, donde no se requieren determinar las temperaturas y presiones
reducidas.
Estas gráficas arrojan resultados directos asumiendo un peso especifico y
temperaturas y presiones seudoreducidas tipo, cabe decir que tan sólo son valores
aproximados, ya que se manejan datos que son asumidos para los cálculos
respectivos.
Ejemplo No. 4
Hallar el valor del factor de desvío Z, mediante las figuras 2-2 a la 2-4,
asumiendo valores para el gas natural usado en el Ejemplo 2.
Datos:
MWm = 18,881 lbs/lbs-mol
P = 400 psia
T = 200 °F = 660 °R
Resultado: (Usando Figura 2-2)
Z = 0,967
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-2
Fuente: GPSA (Figura 23-5)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-3
Fuente: GPSA (Figura 23-6)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-4
Fuente: GPSA (Figura 23-7)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
Por efecto del contenido de gases ácidos el factor Z puede sufrir variaciones,
para estimar el comportamiento se realiza una corrección con gases ácidos de hasta
el 85%. Este factor llamado “Factor de Ajuste de Temperatura Crítica”, ε es una
función de las concentraciones de CO2 y H2S en el gas ácido.
La corrección se aplica a la temperatura seudocrítica, mediante la siguiente
correlación:
Tc´ = Tc - ε
Y a la presión mediante la expresión:
Siendo B, la fracción molar de H2S.
Para calcular el valor del factor de ajuste, se maneja la siguiente gráfica,
ingresando con los valores de los porcentajes de los contaminantes CO2 y H2S.
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-5
Fuente: GPSA (Figura 23-8)
Ejemplo No. 5
Para el siguiente gas ácido, calcular el factor de desvío Z, tomando en cuenta
la corrección por contenido de gases ácidos, usando el método de ajuste de
temperatura crítica.
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Propiedades Físicas del Gas Natural
Datos:
P = 1000 psia (70,31 kg/cm2)
T = 100 °F = 560 °R (37,78 ºC)
TABLA 2-9
Componente Fracción Molar,
yi
Temperatura
Crítica de cada
componenteTci , °R
Temperatura
Seudocrítica,Tsc, °R
(yi * Tci)
PresiónCrítica de
cadacomponente
Pci , °R
PresiónSeudocrítica,
Psc, °R(yi * Pci)
Peso Molecularde cada
componente, MW
Peso Molecular
de la mezcla,(yi * MW)
CO2 0,10 547,4 54,74 1069,5 106,95 44,010 4,401H2S 0,20 672,1 134,41 1300 260,00 34,082 6,816N2 0,05 227,2 11,36 492,8 24,64 28,013 1,401
CH4 0,60 343,0 205,80 667,0 400,20 16,043 9,626
C2H6 0,05 549,6 27,48 707,8 35,39 30,070 1,504
y = 1 Tsc = 433,79
Psc = 827,18
MWm = 23,747
Solución:
Mediante la Fig. 2-5, se puede calcular el factor ε, ingresando a la misma,
con el porcentaje de H2S que tiene un valor de 20% y el porcentaje de CO2 que es
10%.
ε = 29,8
Posteriormente se realiza las correcciones de Tc´y Pc´.
Tc´ = 433,9 - 29,8 = 404,1 °R
Pc´ = 762,2 psia
Tsr = =
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Propiedades Físicas del Gas Natural
Psr = =
Según Figura 2-1, se tiene:
Z = 0,831
Para el caso de gases y líquidos de hidrocarburos, se pueden estimar las
propiedades seudocríticas a partir de las siguientes gráficas.
Se debe definir si el cálculo se desea para un condensado o para gases, ya
que las gráficas presentan diferentes curvas para cada tipo diferente de
hidrocarburo.
Para el uso de la figura, primero se deben establecer si el gas que se esta
manejando, cumple o no con las limitaciones de la figura. Para el cálculo de las
propiedades seudo críticas, se debe ingresar con la gravedad específica del gas,
llegando a la curva de condensado o a la de gases varios.
Las propiedades seudocríticas de gases y sus condensados se pueden calcular
gráficamente, esto facilita varios tipos de cálculos. Mediante las Fig. 2-6, Fig. 2-7 y
Fig. 2-8, se pueden determinar las propiedades seudocríticas como función de la
gravedad específica. Para la aplicación de este cálculo existen limitaciones por el
contenido de gases como el Nitrógeno con el 5% en volumen, el CO2 con el 2% en
volumen y el H2S con el 2% en volumen.
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-6
Ejemplo No. 6
Calcular las propiedades seudocríticas de un gas que tiene una gravedad
específica de 0,85, usando la Figura 2-6.
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Propiedades Físicas del Gas Natural
Resultado:Tsc = 437,5 °R (-30,09 ºC)
Psc = 612,3 psia (40,05 kg/cm2)
Con las siguientes gráficas, se pueden calcular de manera rápida, las
propiedades seudocríticas de líquidos, ingresando con los valores de peso
molecular, °API o gravedad específica del líquido.
Para calcular el °API del líquido, se usa la siguiente ecuación:
Donde:
= Gravedad específica del líquido
Obsérvese que líquidos más livianos que el agua, < 1.0, tienen un °API
mayor a 10, y líquidos más pesados que el agua, tienen un °API menor a 10.
El agua, con = 1.0, tiene un °API = 10.
Mediante las Figuras 2-7 y 2-8, se pueden calcular los valores de ºAPI, a
partir de la gravedad específica y viceversa.
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-7
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-8
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Propiedades Físicas del Gas Natural
2.4 CÁLCULO DE DENSIDADES
La densidad es necesaria para determinar los volúmenes que ocupan ciertas
porciones de masas de hidrocarburos. A continuación tenemos la Figura 2-9 que
sirve para calcular la gravedad específica de algunas gasolinas y mezclas de
hidrocarburos volátiles en función de las temperaturas.
La relación entre la gravedad específica y la densidad para gases y líquidos es
la siguiente:
Gravedad específica del gas = Densidad del gas / Densidad del aire
Gravedad específica del liquido = Densidad del liquido / Densidad del agua
Las gráficas que se presentan a continuación son las publicadas en el GPSA,
habiendo seleccionado las más importantes, además se presentan algunos ejemplos
de cálculo con composiciones de gas tipo para poder apreciar su incidencia en los
resultados.
Ejemplo No. 7
Mediante la Figura 2-9, calcular la gravedad específica, de los siguientes
líquidos saturados, a una temperatura de 100 °F. a) Iso butano, b) Iso pentano y c)
Benceno.
Solución: Ingresando a la gráfica, con la temperatura de 100 °F, se sube en la
gráfica, hasta llegar a las curvas de los diferentes líquidos especificados.
Iso butano: = 0,540 ; Iso pentano: = 0,611 y Benceno: = 0,861. La
gráfica 2-10, realiza la corrección de la gravedad específica medida en condiciones
de temperatura estándar a 60 °F, para otra temperatura desead
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-9
Fuente: GPSA (Figura 23-9)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-10
Fuente: GPSA (Figura 23-10)
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Propiedades Físicas del Gas Natural
Ejemplo No. 8
Mediante la Figura 2-10, calcular la gravedad específica de un líquido a una
temperatura de 400°F, siendo que este líquido tiene una gravedad específica a 60°F,
de 0,68.
Solución:
Ingresando a la gráfica, con la temperatura de 400°F, se sube en la misma,
hasta llegar a la curva de gravedad específica 0,68 a 60°F, obteniendo el siguiente
valor:
= 0,448 (@ 400°F)
Para algunos hidrocarburos comunes en el gas y condensados las densidades
liquidas a 60 °F se pueden corregir para el calculo a temperaturas diferentes.
Ejemplo No. 9
Mediante la Figura 2-11, calcular la densidad (g/ml), de los siguientes
líquidos saturados, a una temperatura de 100°F:
- Propano.- N - Butano.- Gasolina Natural.
Solución:
Ingresando a la gráfica, con la temperatura de 100°F, se sube en la gráfica,
hasta llegar a las curvas de los diferentes líquidos especificados.
Propano: = 0,4725N - Butano : = 0,5590Gasolina Natural: = 0,6710
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Propiedades Físicas del Gas Natural
FIG. 2-11
Fuente: GPSA (Figura 23-11)
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