En el artículo anterior sobre gas natural, hablábamos sobre las definiciones básicas a tener en cuenta en la ingeniería de gases. En este artículo, estaremos hablando sobre las propiedades de los hidrocarburos puros y las mezclas de gases, conceptos vitales para comprender el flujo de fluidos de gases y flujos multifásicos.
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| Distribución y transporte de gas natural por tuberías. Imagen de eisenberg |
Tabla de contenidos
Propiedades de los hidrocarburos puros
Las propiedades de los componentes puros permiten realizar estimaciones y cálculos, no solo dirigidos a la sustancia pura como tal, sino que también son utilizados para estimar propiedades de mezclas de hidrocarburos.
Los datos bibliográficos donde se tabulan constantes físicas de hidrocarburos puros, hidrocarburos parafínicos y componentes de gas natural, pueden encontrarse de manera más completa en el GPSA 1987 página 23-2. Pueden acceder a estos datos directamente en este enlace o si lo prefieren pueden buscarlos en otras fuentes bibliográficas. Es importante tener a la mano estos datos para poder realizar las estimaciones y cálculos de mezclas de hidrocarburos y de gas natural.
Mezcla de gases ideales
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| El gas natural es una mezcla de gases que puede ser transportado por tuberías. Imagen de energiaon |
Las operaciones de ingeniería que tienen que ver con mezclas de hidrocarburos, como el gas natural, generalmente se tratan como mezclas de sustancias puras a presiones y temperaturas relativamente bajas. De este modo, se puede suponer que las mezclas de hidrocarburos se comportan como una mezcla de gases ideales, permitiendo asociar y utilizar el modelo de gas ideal para facilitar los cálculos.
Una mezcla de gases, como el gas natural, tiene una composición expresada en porcentaje molar, porcentaje volumétrico (fracción volumétrica) o porcentaje en peso (fracción en peso).
Por ejemplo, si la mezcla de gases tiene “n” componentes, el porcentaje molar, volumétrico, o por peso de la mezcla, se expresa como el cociente entre el número de moles (n), volumen (v) o peso (W) de una sustancia que compone la mezcla de gases (i) y el número total de moles, volumen total, o peso total de la mezcla multiplicado por 100. Podemos expresarlo en ecuaciones simples:
Un mol de cualquier gas contiene la misma cantidad de moléculas, entonces la fracción molar del componente “i” en la mezcla de gases indicará que porcentaje de las moléculas de ese componente “i” se encuentran presentes en dicha mezcla. La fracción molar, en este caso, es igual a la fracción volumétrica. Esto se deduce a partir de la Ley de Avogadro, ya que el volumen de cualquier componente de la mezcla es proporcional al número de moles de ese componente, pudiéndose expresar de la siguiente manera:
Donde:
- C: Constante de proporcionalidad
- V: Volumen
- n: Moles
Para poder convertir la fracción molar a fracción por peso, o viceversa, es necesario conocer el peso molecular de cada componente de la mezcla por separado. La conversión se puede realizar de manera directa utilizando las siguientes ecuaciones:
Ley de Amagat
El volumen total ocupado por una mezcla de gases que sigue el comportamiento de un modelo de gas ideal, a determinada presión y temperatura, es igual a la suma de los volúmenes que ocupa cada uno de los componentes de la mezcla de manera individual a condiciones de presión y temperatura del fluido.
Donde:
- V: Volumen total de la mezcla
- Vi: Volumen del componente puro
Si asumimos casos ideales, podemos expresarlo de la siguiente manera:
Donde:
- yi: Fracción molar del componente i
- Vi: Volumen ocupado por el componente i
- T: Temperatura de operación
- P: Presión de operación
- R: Constante universal de los gases
- n: número de moles
Peso molecular de la mezcla de gases (Mm)
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| Tuberías de gas natural. Imagen de conexionesan |
En una mezcla de gases, no nos podemos referir al peso molecular como nos referimos al peso molecular de una sustancia pura que conforma la mezcla (Mi), ya que la mezcla no se puede representar como una fórmula sencilla. Sin embargo, se puede expresar en términos de “Peso Molecular Aparente” o “Peso Molecular de la mezcla (promedio molar)”.
Este peso molecular para mezcla de gases puede ser estimado a partir de la composición molar de la mezcla y de los pesos moleculares individuales de cada uno de los componentes que forman parte de la mezcla de gases. Tomando en cuenta las ecuaciones mostradas anteriormente, cuando nos referíamos a la Ley de Amagat, podemos expresar el peso molecular de la mezcla de gasas de la siguiente manera:
Donde:
- Mm: Peso molecular de la mezcla
- Mi: Peso molecular del componente i
- yi: Fracción molar del componente i
Propiedades pseudocríticas de la mezcla de gases ideales
Cada mezcla de gases cuenta con una presión y una temperatura crítica que sólo puede estimarse de manera experimental. Sin embargo, para estudiar el comportamiento de las mezclas de gases ideales podemos apoyarnos en la Regla de Kay, la cual, se basa en el uso de las temperaturas y presiones pseudocríticas, trabajando de manera similar al procedimiento utilizado para estimar el peso molecular aparente de una mezcla de gases de “n” componentes. Podemos expresarlo matemáticamente de la siguiente manera:
Donde:
- PSC: Presión pseudocrítica
- TSC: Temperatura pseudocrítica
- yi: Fracción molar del componente i
- Pci: Presión crítica del componente i
- Tci: Temperatura crítica del componente i
Estas ecuaciones, por lo general, no dan resultados satisfactorios cuando la mezcla contiene componentes no similares entre sí. En el caso de los hidrocarburos formados por cadenas parafínicas, el uso de estas ecuaciones es totalmente válido.
Debido a la complejidad de las interacciones moleculares, es lógico suponer que una combinación tan simple de propiedades, como las mostradas en las ecuaciones anteriores, no pueden expresar con exactitud dichas interacciones moleculares en todos los sistemas, es por ello, que han surgido una serie de reglas para determinar propiedades pseudocríticas, como la regla de Stewart-Burkhadrt-Voo, que se expresa de la siguiente manera:
Por lo tanto, se puede expresar así:
También, existen ajustes para los valores de temperatura y presión pseudocríticas de acuerdo a la cantidad de CO2 y H2S de la mezcla, los cuales, describiremos en un próximo artículo sobre las mezclas de gases reales. Cuando se conoce la composición del gas, se pueden calcular fácilmente los valores de la presión y la temperatura pseudocrítica.
Gas natural: Mezcla de gases ideales by Ing. Bulmaro Noguera is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License
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