Variación de las propiedades en la región fase densa; Parte 1 – Compuestos Puros

En este previo del mes (PDM) describiremos la fase densa de un compuesto puro, que es, y como impacta procesos. Ilustraremos como cambian las propiedades termo físicas en la fase densa, así como en fases circunvecinas. Se discutirá brevemente la aplicación de la fase densa en la industria del petróleo y gas. En el próximo PDM discutiremos el comportamiento de la fase densa en los sistemas multicomponentes.

Cuando un compuesto puro, en fase gaseosa o líquida, es calentada y comprimida a condiciones mayores que la presión, y temperatura crítica, se torna un fluido altamente denso, y compresible que demuestra las condiciones tanto del líquido como el gas. Para un compuesto puro, a presión y temperatura más que las críticas, se le refiera usualmente al sistema como un “fluido denso”, o “fluido súper crítico”, para distinguirlo del vapor y líquido normal (véase la Figura 1 para el dióxido de carbono).

La fase Densa es una cuarta (Sólida, Líquida, Gas, Densa) fase que no se puede captar por los sentidos. La palabra “fluido” se refiere a cualquier sustancia que fluye, y se aplica tanto para el gas y líquido. Compuestos puros en la fase densa o estado de fluido supercrítico, normalmente poseen una habilidad incrementada de disolución, que las sustancias en estado líquido. La fase densa posee una viscosidad similar a la del gas, pero su densidad es más cercana a la del líquido. Debido a estas propiedades únicas, la fase densa se ha mostrado atractiva para el transporte del gas natural, recuperación mejorada de petróleo, procesamiento de insumos comestibles, y procesamiento de productos farmacéuticos.

La baja viscosidad de la fase densa, el dióxido de carbono (comparado con solventes líquidos familiares), lo rinde atractivo para la recuperación mejorada del crudo (RMC) debido a que puede penetrar el medio poroso (trampa de yacimiento). Como el dióxido de carbono se disuelve en el petróleo, reduce la viscosidad, y la tensión interfacial petróleo – agua, hincha el crudo, y puede proporcionar desplazamiento altamente eficiente, si se logra la miscibilidad. Adicionalmente, sustancias se dispersan a través de la fase densa rápidamente debido a los altos coeficientes de difusión. El Dióxido de Carbono es de interés particular en la tecnología de la fase densa porque es barato, no – flamable, no tóxico, e inodoro. Se han construido caños para transportar el gas natural en la fase densa debido a su mayor densidad, y esto también aprovisiona el beneficio adicional de no formar líquidos en el gasoducto.

En la siguiente sección ilustraremos la variación de las propiedades termo físicas en la fase densa y sus fases vecinas. Las propiedades de Metano se han calculado con facilidades de simulación (software) HYSYS para una serie de temperaturas y presiones. La Tabla 1 presenta las presiones y temperaturas y sus tendencias usadas en este estudio.

Las propiedades termo físicas se grafican como función de presión y temperatura en las Figueras 2 al 9. La propiedad termo física se muestra en la coordenada de la izquierda – y, temperatura en el la coordenada x, y presión en la coordenada derecha – y.

Densidad:

La Figura 2 presenta la variación de la densidad en distintas fases como función de presión y temperatura. En la región isobárica, de sub-enfriamiento AB la densidad líquida aumenta paulatinamente. Sin embargo, en la región isotérmica BC, se observa un aumento leve en la misma. En la dirección isobárica CD, la densidad comprimida se reduce levemente mientras la temperatura aumenta pronunciadamente dentro de la fase densa.  Sin embargo mientras la temperatura aumenta seguidamente en la región densa, la reducción de la densidad se acelera. Reducción de la misma es adicionalmente acelerada durante la expansión isotérmica, DE.  Enfriamiento isobárico a trabes de la tendencia EF corresponde a un aumento leve en densidad. Debe notarse que los valores de la densidad en la fase densa son muy cercamos a la densidad del líquido en algunas áreas de la fase densa, y se muestra generalmente mayor que las densidades del gas.

Viscosidad:

La Figura 3 presenta la variación de viscosidad en distintas fases como función de presión y temperatura. En la región isobárica de sub-enfriamiento AB, la viscosidad del líquido aumenta rápidamente. Sin embargo, en la tendencia isotérmica de compresión BC, un cambio leve se presenta. En la región isobárica CD, la viscosidad del líquido comprimido disminuye linealmente, y pronunciadamente mientras aumenta la temperatura dentro pronunciadamente de la fase densa. Mientras aumenta adicionalmente la temperatura en la fase densa la reducción de ésta es paulatina, y se acerca a las viscosidades del gas. La reducción de viscosidad es algo minima durante la expansión isotérmica DE. Enfriamiento del vapor a través de EF corresponde a ningún cambio apreciable de la viscosidad.

Factor de Compresibilidad:

En general, el factor de compresibilidad Z, calculado por una ecuación de estado n o es acertada en la fase líquida. Por ende, la Figura 4, la cual presenta este factor en función de presión y temperatura debe considerarse solamente para estudios cualitativos. En la región isobárica de sub-enfriamiento AB, Z permanece casi constante. Sin embargo en la tendencia de compresión  isotérmica BC, Z aumenta dramáticamente. En la región isobárica CD, Z aumenta gradualmente mientras aumenta la temperatura pronunciadamente dentro de la fase densa. Mientra la temperatura de desplaza mas dentro de la fase densa, el aumento de Z se acelera. El incremento en Z se pronuncia adicionalmente durante la expansión isotérmica DE. Enfriamiento isobárico del vapor a través de FF corresponde con un decremento gradual de de Z.

 

Tensión Interfacial:

La Figura 5 indica que para la fase líquida, la tensión interfacial es función pronunciada de temperatura pero independiente de presión. A valores mayores de la temperatura crítica, la tensión interfacial no es aplicable y su valor es cero.

 

Capacidad de Calor:

Generalmente, la capacidad de calor es aplicable en una región monofásica, y no debe aplicarse cuando ocurre un cambio de fases. La Figura 6 presenta la variación de densidad en distintas fase como función de la presión y temperatura. En la región isobárica de sub-enfriamiento AB, la capacidad de calor del líquido disminuye. En la región de compresión isotérmica BC, un leve decremento en la capacidad de calor se observa. En la tendencia isobárica CD, la capacidad de calor del líquido comprimido aumenta gradualmente mientras la temperatura aumenta pronunciadamente dentro de la fase densa. Mientras la temperatura aumenta adicionalmente dentro de la fase densa, la capacidad de calor llega a un punto máximo y luego disminuye. Este es comportamiento algo extraño y valore sorprendentemente altos se calculan. Valores similares fueron obtenidos con capacidad de simulación (software) ProMax. Reducción de la capacidad de calor se nota adicionalmente durante la expansión isotérmica DE. El enfriamiento isobárico del vapor a través de EF resulta en aumentos graduales de la capacidad de calor.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Conductividad Térmica:

La Figura 7 presenta la variación de la conductividad térmica en distintas fases como función de presión y temperatura. En la región isobárica de sub-enfriamiento AB la conductividad térmica aumenta. En la tendencia isotérmica de compresión BC, no se presenta ningún cambio. En la región isobárica CD, la conductividad térmica del líquido comprimido disminuye paulatinamente mientras la temperatura aumenta pronunciadamente dentro de la fase densa. Sin embargo, mientras la temperatura aumenta seguidamente dentro de la región densa,  reducción de la conductividad térmica es acelerada. Reducción de la conductividad térmica se observa adicionalmente en la tendencia de expansión isotérmica DE. Enfriamiento isobárico en la tendencia EF corresponde con un mínimo decremento en la conductividad térmica.

 

 

 

 

 

 

 

Entalpía y Entropía:

Las Figuras 8, y 9 presentan la variación en entalpía, y entropía en distintas fases como función de presión y temperatura. Como se muestra en estas figures, sus variaciones cualitativas son similares. En la región isobárica de sub-enfriamiento AB, se nota reducción de entalpía y entropía para el líquido. En la tendencia isotérmica de compresión BC, no se observa ningún cambio. Durante la tendencia isobárica CD, los valores de la entalpía y entropía del líquido comprimido aumentan gradualmente pronunciadamente dentro de la fase densa. Sin embargo, mientras la temperatura aumenta seguidamente dentro de la fase densa el aumento de la entalpía y entropía se ven mas pronunciados. El aumento de éstas se nota adicionalmente durante la expansión isotérmica DE. Enfriamiento isobárico del vapor dentro de EF corresponde con un decremento de la entalpía y entropía.

Conclusiones:

El comportamiento de la fase densa es único y posee características especiales. Las propiedades termo físicas en esta fase pueden variar en forma muy anormal. Se debe ejercer cautela cuando se aplican las ecuaciones de estado para predecir las propiedades termo físicas de esta fase densa. Evaluación de estas ecuaciones de estado deben efectuarse de antemano para asegurar su certeza en esta región. Muchos simuladores ofrecen la opción e aplicar algoritmos basados en líquidos ( e.g. COSTALD) para esta región.

Como se muestra en la Figura 1, existe un cambio gradual de la transición gas a fase densa,  fase densa a fase líquida y viceversa. La fase densa exhibe un fluido de alta compresibilidad para ambas fases de líquido y gas. La fase densa posee viscosidad similar a la del gas, pero una densidad más cercana a la del líquido. Existe una condición favorable para el transporte del gas natural en la fase densa, igual que la inyección del dióxido de carbono dentro de yacimientos de crudo para lograr su recuperación mejorada.

 

 

 

 

Para informarse adicionalmente sobre casos similares y como minimizar problemas operacionales, sugerimos su asistencia a nuestras sesiones G40 (Process/Facility Fundamentals), G4 (Gas Conditioning and Processing), P81 (CO₂ Surface Facilities), and PF4 (Oil Production and Processing Facilities) .

By: Mark Bothamley and Mahmood Moshfeghian

Traducción al Español     Por: Frank E. Ashford

Reference:

1.    ASPENone, Engineering Suite, HYSYS Version 2006, Aspen Technology, Inc., Cambridge, Massachusetts U.S.A., 2006.