Determinación de la composición de la corriente de alimentación a un separador líquido vapor, proveniente de un pozo de hidrocarburos, mediante el uso de modelos termodinámicos

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO. ica. FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. ie. ría. Q. uí m. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA. In g. en. DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DE LA CORRIENTE DE ALIMENTACIÓN A UN SEPARADOR LÍQUIDO-VAPOR, PROVENIENTE DE UN POZO DE HIDROCARBUROS, MEDIANTE EL USO DE MODELOS TERMODINÁMICOS. de. TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE. ca. INGENIERO QUÍMICO. lio te. AUTOR:. Br. DÍAZ VIGO JUAN CARLOS. Bi b. ASESOR:. MSc. LUIS MONCADA ALBITRES TRUJILLO – PERÚ 2009. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. PRESENTACIÓN. uí m. Señores Catedráticos, Miembros del Jurado:. En cumplimiento de las disposiciones estipuladas en el reglamento de la Universidad Nacional de Trujillo, someto a vuestra consideración y elevado criterio el presente. Q. “DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DE LA. trabajo de tesis titulado. ría. CORRIENTE DE ALIMENTACIÓN A UN SEPARADOR LÍQUIDO-VAPOR, PROVENIENTE DE UN POZO DE HIDROCARBUROS, MEDIANTE EL USO DE. en Trujillo, Agosto del 2009.. Br. DÍAZ VIGO JUAN CARLOS. Bi b. lio te. ca. de. In g. título de Ingeniero Químico.. ie. MODELOS TERMODINÁMICOS”, el cual fue desarrollado para la obtención del. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. ica. JURADO DICTAMINADOR. In g. en. ie. ría. Q. _____________________________________ Dr. José Rivero Méndez Presidente. Bi b. lio te. ca. de. ______________________________________ MSc. Luis Moncada Albitres Asesor. ____________________________________ MSc. Feliciano Bernui Paredes Miembro. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. ica. DEDICATORIAS. In g. en. ie. ría. Q. A mi querida madre Guadalupe Sabina Por su amor, comprensión, apoyo incondicional y sabios consejos que constituyen la mejor guía en mi quehacer de cada día, y fueron mi sostén en el arduo camino de mi educación superior. A mi querida tía Julia Margarita Por su gran apoyo a mi familia y particularmente en mis estudios superiores. A mis queridas sobrinas Daniela y Gianella Por la alegría que traen a mi casa. Bi b. lio te. ca. de. A mis queridos hermanos Mercedes Elizabeth y Elmer Javier Por su cariño y apoyo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. v. ica. AGRADECIMIENTO. La realización de la presente tesis ha significado recorrer un arduo camino en el. su apoyo y me ayudaron a llegar a la meta que me tracé.. uí m. que afortunadamente encontré la asistencia de muchas personas que me brindaron. Quiero expresar mi agradecimiento a mi familia, especialmente a mi adorada. Q. madre, mi querida tía Margarita y mis hermanos que siempre encontraron las palabras de aliento apropiadas y necesarias en aquellos momentos de dificultad y. ría. durante todo el desarrollo del presente trabajo.. Asimismo, agradezco a mi asesor el ingeniero MSc. Luis Moncada Arbitres por su constante apoyo y su confianza en el buen desarrollo de esta tesis, y por haberme. ie. sugerido el tema de investigación, que constituye un campo muy interesante y. en. necesario para la industria de hidrocarburos.. Agradezco igualmente al ingeniero Pedro Alama, quien, mostrando un gran gesto. In g. de apoyo e interés por esta tesis, me proporcionó los datos de operación reales de planta de dos pozos de hidrocarburos ubicadas en nuestro país, que permitieron la prueba y validación de resultados del programa de ordenador FlaSeHF que. de. desarrollé y escribí para realizar los cálculos del presente trabajo de investigación. Por último, pero no menos importante, agradezco de manera muy especial a Bill Spitzak por la gran biblioteca para interfaces gráficas de usuario, fltk, que. ca. desarrolló y escribió, en la que está basado en parte la interfaz gráfica de usuario. Bi b. lio te. del programa FlaSeHF.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. vi. ÍNDICE v. ica. Agradecimiento Índice. vi. uí m. Lista de Tablas Lista de Figuras. xv. Resumen. xxii. xxiii. Q. Abstract. 2. Fundamento Teórico. 1. ría. Introducción. 5 5. Termodinámica de Equilibrio Líquido-Vapor . . . . . .. 6. 2.1.2. Equilibrio Líquido-Vapor a Presiones Altas . . . . . . .. 9. 2.1.3. Ecuaciones Cúbicas de Estado . . . . . . . . . . . . . .. 11. 2.1.4. Reglas de Mezclado para Ecuaciones de Estado del Tipo. In g. en. Fundamento Termodinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. ie. 1. 2.1. Redlich-Kwong . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cálculo. de. Flash. Isotérmico. de. 2.1.5. para. Mezclas. 16. 2.2.1. Recuperación Mejorada . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 2.2.2. Separación Gas-Líquido. 19. Bi b. . . . . . . . . . . . . . . . . .. Comportamiento de Fases de Fluidos de Reservorios de. lio te. 2.3. 13. . . . . . . . . . . . . .. ca. Producción de Pozos de Hidrocarburos. 12. de. Componentes Múltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.2. ix. Hidrocarburos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 2.4. Composición de Fluidos de Reservorio. . . . . . . . . . . . . .. 22. 2.5. Clasificación de Fluidos de Reservorio . . . . . . . . . . . . . .. 24. 2.5.1. Gas Seco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26. 2.5.2. Gas Húmedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 2.5.3. Gas Condensado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 2.5.4. Petróleo Volátil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 2.5.5. Petróleo Negro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. vii 30. 2.6.1. Métodos Experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 2.6.2. Propiedades Críticas. 32. 2.6.3. Descripción de la Fracción Pesada Final de un Fluido de. ica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Hidrocarburos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 2.6.3.1. 41. Función del Número de Carbono Singular . . .. Material y Métodos. 42. Material de Estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 3.2. Métodos y Técnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 3.2.1. Lenguaje de Programación C . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.2.2. Lenguaje de Programación C++ . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.2.2.1. Utilización de C++ . . . . . . . . . . . . . . .. 44. 3.2.2.2. Utilización de C++ en la comunidad científica. 46. 3.2.2.3. Ventajas de C++ sobre otros lenguajes para la. ie. ría. Q. 3.1. en. 3. Caracterización de Fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. uí m. 2.6. programación de aplicaciones científicas y de 47. Compiladores GNU para los lenguajes C y C++ . . . . .. 48. 3.2.4. Biblioteca de Interfaz Gráfica de Usuario FLTK . . . . .. 48. 3.3. Programa FlaSeHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. 3.4. Algoritmo de Cálculo implementado en el Programa FlaSeHF . .. 56. de. 3.2.3. Resultados. ca. 4. In g. ingeniería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.1. Cálculo de la Presión de Punto de Rocío de Una Mezcla de Gas. lio te. Condensado (caso estudiado por Nasrifar) . . . . . . . . . . . .. 58 58. 4.2. Pozo 1 de una empresa de extracción de hidrocarburos en Perú. 69. 4.3. Pozo 2 de una empresa de extracción de hidrocarburos en Perú. 106. Discusión de Resultados. 129. 6. Conclusiones y Recomendaciones. 136. 6.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 136. 6.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137. Bi b. 5. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. viii. Referencias Bibliográficas. Programa FlaSeHF. 141. Fórmulas para Calcular el Porcentaje de Desviación. 189. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. uí m. APÉNDICE B. Muestra de Capturas de Pantalla de Corridas del. ica. APÉNDICE A. 138. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ix. LISTA DE TABLAS Constantes para Cuatro Ecuaciones Cúbicas de Estado. ica. Tabla 2.1. Comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Ecuaciones para operaciones de una sola etapa de flash y de. uí m. Tabla 2.2. condensación parcial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 2.3. 12. 15. Procedimiento de Rachford-Rice para el cálculo de flash. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. Tabla 2.4. Composiciones Típicas de Fluidos de Hidrocarburos . . . .. 25. Tabla 2.5. Constantes en la ecuación (51) para Tc, Pc, Vc, M y Tb . . . .. Tabla 3.1. Ventajas de C++ sobre otros lenguajes para la programación. ie. ría. composición. Q. isotérmico cuando los valores K son independientes de la. 35. 47. Tabla 4.1. Datos Experimentales reportados por Nasrifar . . . . . . . .. 59. Tabla 4.2. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. In g. en. de aplicaciones científicas y de ingeniería . . . . . . . . . .. composición del líquido y de la presión de punto de rocío. de. utilizando las ecuaciones de estado de Soave-RedlichKwong y de Peng-Robinson . . . . . . . . . . . . . . . . .. Tabla 4.3. 59. Resultados del cálculo de la composición del líquido. ca. utilizando la ecuación de estado de Redlich-Kwong y cinco correlaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados del cálculo de la composición del líquido. lio te. Tabla 4.4. 61. utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong y cinco correlaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Bi b. Tabla 4.5. Tabla 4.6. 62. Porcentaje de desviación de las correlaciones de Cavett, Edmister y Cavett, Lee-Kesler, en la predicción de la composición del líquido utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. Resultados del cálculo de la composición del líquido utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson y cinco. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. x correlaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Tabla 4.7. Porcentaje de desviación de las correlaciones de Cavett, Edmister y Cavett, Lee-Kesler, en la predicción de la. ica. composición del líquido utilizando la ecuación de estado de 66. Tabla 4.8. Datos de planta del pozo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69. Tabla 4.9. Condiciones de operación del separador y propiedades de la. uí m. Peng-Robinson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. fracción pesada en la corriente gaseosa . . . . . . . . . . . .. 69. Tabla 4.10 Composición del líquido de salida del separador calculado. Q. utilizando la ecuación de estado de van der Waals. Los. parámetros de interacción binaria (BIP) se han establecido. ría. todos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70. Tabla 4.11 Composición del líquido de salida del separador calculado. ie. utilizando la ecuación de estado de Redlich-Kwong. Los. en. parámetros de interacción binaria (BIP) han sido establecidos todos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71. In g. Tabla 4.12 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con la ecuación de estado de Redlich-Kwong para calcular la composición del líquido de salida del separador. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se establecieron a. de. cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72. Tabla 4.13 Resultados de la composición de la alimentación al. ca. separador calculado utilizando la ecuación de estado de Redlich-Kwong. Los parámetros de interacción binaria (BIP). lio te. fueron establecidos todos a cero. Fracción de Vaporización = 0.5815 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. Tabla 4.14 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con. Bi b. la ecuación de estado de Redlich-Kwong para calcular la composición de la alimentación al separador. Los parámetros de interacción binaria (BIP) fueron establecidos a cero. . . .. 76. Tabla 4.15 Resultados del cálculo de la composición del líquido de salida del separador utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlcih-Kwong. Los parámetros de interacción. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xi binaria (BIP) fueron establecidos a cero . . . . . . . . . . .. 78. Tabla 4.16 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong para calcular. ica. la composición del líquido de salida. Los parámetros de interacción binaria (BIP) fueron establecidos a cero . . . . .. 79. Tabla 4.17 Composición de la alimentación al separador calculada. uí m. utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong. Los parámetros de interacción binaria (BIP) fueron establecidos a cero. Fracción de Vaporización = 0.5815 . . .. 82. Q. Tabla 4.18 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong para el. ría. cálculo de la composición de la alimentación al separador. Los parámetros de interacción binaria (BIP) fueron. ie. establecidos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. en. Tabla 4.19 Composición del líquido de salida del separador calculado utilizando la ecuación de Soave-Redlich-Kwong. Los. In g. parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la referencia [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85. Tabla 4.20 Porcentajde de desviación de las correlaciones utilizadas con la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong para calcular. de. la composición del Líquido de salida del separador. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se utilizaron de la . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86. ca. referencia [16]. Tabla 4.21 Composición de la alimentación al separador calculado. lio te. utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong. Los parámetros de interacción binaria (BIP) fueron tomados de la referencia [16]. Fracción de Vaporización = 0.5815 . .. 89. Bi b. Tabla 4.22 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong para el cálculo de la alimentación al separador. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la referencia [16] . .. 90. Tabla 4.23 Composición del líquido de salida del separador y presión de punto de rocío calculados utilizando la ecuación de estado de. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xii Peng-Robinson. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se establecieron todos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92. Tabla 4.24 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con. ica. la ecuación de estado de Peng-Robinson para el cálculo de la composición del líquido de salida del separador, y la presión. de punto de rocío. Los parámetros de interacción binaria . . . . . . . . . . . . .. 93. uí m. (BIP) se establecieron todos a cero. Tabla 4.25 Composición de la alimentación al separador calculado con. la ecuación de estado de Peng-Robinson. Los parámetros de. Q. interacción binaria (BIP) se establecieron a cero. Fracción de Vaporización = 0.5815 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96. ría. Tabla 4.26 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con la ecuación de estado de Peng-Robinson para el cálculo de la. ie. composición de la alimentación al separador. Los parámetros 97. en. de interacción binaria (BIP) se establecieron a cero . . . . . Tabla 4.27 Composición del líquido de salida del separador calculado. In g. utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la referencia [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99. Tabla 4.28 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con. de. la ecuación de estado de Peng-Robinson para el cálculo de la composición del líquido de salida del. separador. Los. ca. parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la referencia [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 100. lio te. Tabla 4.29 Composición de la alimentación al separador calculado utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la referencia [16]. Fracción de Vaporización = 0.5815 . . . . . 103. Bi b. Tabla 4.30 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con la ecuación de estado de Peng-Robinson para el cálculo de la composición de la alimentación al. separador. Los. parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la referencia [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 104. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xiii Tabla 4.31 Datos de planta del pozo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 106. Tabla 4.32 Condiciones de operación del separador y propiedades de la fracción pesada en la corriente gaseosa . . . . . . . . . . . . 106. ica. Tabla 4.33 Composición del líquido de salida del separador calculado utilizando la ecuación de estado de van der Waals. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se establecieron. uí m. todos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Tabla 4.34 Composición del líquido de salida del separador calculado. utilizando la ecuación de estado de Redlich-Kwong. Los. Q. parámetros de interacción binaria (BIP) se establecieron. todos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108. ría. Tabla 4.35 Composición del líquido de salida del separador calculado utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong.. ie. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se establecieron. en. todos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Tabla 4.36 Composición de la alimentación al separador calculado. In g. utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se establecieron todos a cero. Fracción de Vaporización = 0.6068. . . . . . .. 110. Tabla 4.37 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con. de. la ecuación de estado de Soave-Redlcih-Kwong para el cálculo de la composición de la alimentación al separador y. ca. la presión de punto de rocío. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se establecieron todos a cero . . . . . . . . . .. 111. lio te. Tabla 4.38 Composición del líquido de salida del separador calculado utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la referencia [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114. Bi b. Tabla 4.39 Composición de la alimentación al separador calculado utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la referencia [16]. Fracción de Vaporización = 0.6068 . . . . . 115 Tabla 4.40 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xiv la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong para el cálculo de la composición de la alimentación al separador y la presión de punto de rocío. Los parámetros de interacción 116. ica. binaria (BIP) se tomaron de la referencia [16] . . . . . . . . Tabla 4.41 Composición del líquido de salida del separador calculado. utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson. Los. uí m. parámetros de interacción binaria (BIP) se establecieron. todos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Tabla 4.42 Composición de la alimentación al separador calculado. Q. utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se establecieron. ría. todos a cero. Fracción de Vaporización = 0.6068. . . . . . .. 120. Tabla 4.43 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con. ie. la ecuación de estado de Peng-Robinson para el cálculo de la. en. composición de la alimentación al separador y la presión de punto de rocío. Los parámetros de interacción binaria (BIP) 121. In g. se establecieron todos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 4.44 Composición del líquido de salida del separador calculado utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la. de. referencia [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 124. Tabla 4.45 Composición de la alimentación al separador calculado. ca. utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la. lio te. referencia [16]. Fracción de Vaporización = 0.6068 . . . . . 125. Tabla 4.46 Porcentaje de desviación de las correlaciones utilizadas con la ecuación de estado de Peng-Robinson para elcálculo de la. Bi b. composición de la alimentación al separador y la presión de punto de rocío. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se tomaron de la referencia [16]. . . . . . . . . . . . . . . .. 126. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xv. ica. LISTA DE FIGURAS. Separación continua en una sola etapa de equilibrio . . . . .. 14. Figura 2-2. Separador horizontal de dos fases. . . . . . . . . . . . . . .. 19. Figura 2-3. Separador vertical de dos fases . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. Figura 2-4. Nitrógeno, oxígeno y azufre se encuentran en fracciones . . . . . . . . . .. Q. ligeras y pesadas de fluidos de reservorio. uí m. Figura 2-1. 24. Diagrama de fases de un gas seco. . . . . . . . . . . . . . .. 26. Figura 2-6. Diagrama de fases del gas húmedo . . . . . . . . . . . . . .. 27. Figura 2-7. Diagrama de fases de gas condensado . . . . . . . . . . . .. 28. Figura 2-8. Diagrama de fases de un petróleo volátil . . . . . . . . . . .. 29. Figura 2-9. Diagrama de fases de un petróleo negro . . . . . . . . . . .. Figura 2-10. Distribución de grupos SCN en una muestra de petróleo del. en. ie. ría. Figura 2-5. Mar del Norte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Figura 3-3. de petróleo mostrando la distribución de varios componentes. 40. Ventana principal del programa FlaSeHF. . . . . . . . . . .. 49. Barra de herramientas del programa FlaSeHF . . . . . . . .. 49. de. Figura 3-1 Figura 3-2. 39. Cromatogramas de gas de cuatro tipos diferentes de muestras. In g. Figura 2-11. 30. Ventana para crear un nuevo proyecto en el programa 50. Figura 3-4. Cuadro de diálogo para seleccionar el tipo de análisis . . . .. 51. Figura 3-5. Menú Thermodynamics en el cual se puede seleccionar el. lio te. ca. FlaSeHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. Figura 3-6. Cuadro de diálogo para seleccionar la ecuación de estado . .. 52. Figura 3-7. Menú Options (Opciones) . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. Bi b. modelo para el factor K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Figura 3-8. Figura 3-9. Cuadro de diálogo para seleccionar la correlación para calcular las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. Cuadro de diálogo para seleccionar los parámetros de interacción binaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xvi Figura 3-10. Cuadro de diálogo para seleccionar la clase del grupo de carbono 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Figura 3-11. 54. Cuadro de diálogo para ingresar la composición de la 54. ica. corriente gaseosa que sale del separador . . . . . . . . . . . Figura 3-12. Cuadro de diálogo para ingresar las características propias de. 55. Figura 3-13. Algoritmo de cálculo implementado en el programa FlaSeHF. 56. Figura 3-14. Algoritmo para el cálculo de la presión de punto de rocío . .. 57. Figura 4-1. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. Q. uí m. las fracciones pesadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. presión de punto de rocío utilizando las ecuaciones de estado. ría. de Soave-Redlich-Kwong y de Peng-Robinson Figura 4-2. . . . . . . .. 60. Porcentaje de Desviación de la composición de la fase. ie. líquida calculada con las ecuaciones de Soave-Redlich60. en. Kwong y Peng-Robinson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 4-3. Porcentajde de desviación de los resultados del cálculo de la. In g. presión de punto de rocío utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong. con. las. dos. correlaciones. convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes . . . . . . . . . . . . . Porcentaje de Desviación de la Composición de la Corriente. de. Figura 4-4. 64. Líquida que sale del separador, calculada utilizando la. ca. ecuación de Soave-Redlich-Kwong con dos correlaciones para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los. lio te. pseudocomponentes. Bi b. Figura 4-5. Figura 4-6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la presión de punto de rocío utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson con las dos correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la composición del líquido utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson con las dos correlaciones convergentes para. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xvii las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes Figura 4-7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. ica. presión de punto de rocío utilizando la ecuación de estado de Redlich-Kwong con las tres correlaciones convergentes para. las propiedades críticas y el factor acéntrico de los. Figura 4-8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. uí m. pseudocomponentes. Porcentaje de Desviación de la Composición de la corriente. líquida que sale del separador, calculada con la ecuación de. Q. estado de Redlich-Kwong utilizando diferentes correlaciones para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los. Figura 4-9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ría. pseudocomponentes. 74. Porcentaje de Desviación de la Compoición de la corriente. ie. de Alimentación, calculada con la ecuación de estado de. propiedades. en. Redlich-Kwong utilizando tres correlaciones para las críticas. el. factor. acéntrico. de. los. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. In g. pseudocomponentes. y. Figura 4-10. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la presión de punto de rocío de la corriente líquida que sale del separador utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-. de. Kwong con las cuatro correlaciones convergentes para las propiedades. críticas. y. el. factor. acéntrico. de. los. ca. pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se han establecido todos a cero . . . . . . . . . . . . .. Bi b. lio te. Figura 4-11. Figura 4-12. 80. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la composición del líquido que sale del separador utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong con las cuatro correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetro de interacción binaria (BIP) establecidos todos a cero . . . .. 81. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la composición de la alimentación utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong con las cuatro correlaciones. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xviii convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) establecidos todos a cero. 84. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. ica. Figura 4-13. . . . . .. presión de punto de rocío utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong. con. las. cuatro. correlaciones. uí m. convergentes para las propiedades críticas y el factor. acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se han tomado de la referencia [16]. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de loa. Q. Figura 4-14. 87. composición del líquido que sale del separador utilizando la. ría. ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong con las cuatro correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el. ie. factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros. referencia [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. In g. Figura 4-15. en. de interacción binaria (BIP) han sido tomados de la. composición de la alimentación al separador utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong con las cuatro correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el. de. factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se han tomado de la referencia 91. ca. [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Figura 4-16. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. Bi b. lio te. presión de punto de rocío utilizando la ecuación de estado de. Figura 4-17. Peng-Robinson con las cuatro correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se han establecido todos a cero . . . . . . . . . . . . .. 94. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la composición del líquido que sale del separador utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson con las cuatro correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xix factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) han sido establecidos todos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. ica. Figura 4-18. 95. composición de la alimentación al separador utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson con las cuatro. uí m. correlaciones de estado convergentes para las propiedades. críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los. parámetros de interacción binaria (BIP) han sido establecidos. Q. todos a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 4-19. 98. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. ría. presión de punto de rocío utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson con las cuatro correlaciones convergentes. ie. para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los. en. pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se han tomado de la referencia [16]. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. In g. Figura 4-20. . . . . . . . . . . 101. composición del líquido que sale del separador utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson con las tres correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el. de. factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se han tomado de la referencia 102. ca. [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Figura 4-21. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. Bi b. lio te. composición de la alimentación al separador utilizando la. Figura 4-22. ecuación de estado de Peng-Robinson con las tres correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) han sido tomados de la referencia [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 105. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la presión de punto de rocío utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong. con. las. cuatro. correlaciones. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xx convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se han establecido todos a cero. Porcentaje de desviación de los resultados de la composición. ica. Figura 4-23. . . 112. de la alimentación al separador utilizando la ecuación de. estado de Soave-Redlich-Kwong con las cuatro correlaciones. uí m. convergentes para las propiedades críticas y el factor. acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) han sido establecidos todos a cero. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. Q. Figura 4-24. 113. presión de punto de rocío utilizando la ecuación de Soave-. ría. Redlich-Kwong con las cuatro correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los. ie. pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria 117. en. (BIP) se han tomado de la referencia [16] . . . . . . . . . . Figura 4-25. Porcentaje de desviación de los resultados de la composición. In g. de la alimentación al separador utilizando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong con las cuatro correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de las pseudocomponentes. Los parámetros de. de. interacción binaria (BIP) han sido tomados de la referencia [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. ca. Figura 4-26. 118. presión de punto de rocío utilizando la ecuaci´n de estado de. lio te. Peng-Robinson con las cinco correlaciones convergentes. Bi b. Figura 4-27. para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) se han establecido todos a cero . . . . . . . . . . . . . 122 Porcentaje de desviación de los resultados de la composición de la alimentación al separador utilizando la ecuación de estado de Peng-Robinson con las cinco correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xxi interacción binaria (BIP) han sido establecidos todos a cero Figura 4-28. 123. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la presión de punto de rocío utilizando la ecuación de estado de. ica. Peng-Robinson con las cinco correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el factor acéntrico de los. pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria. Figura 4-29. . . . . . . . . . . . . .. 127. uí m. se han tomado de la referencia [16]. Porcentaje de desviación de los resultados del cálculo de la. composición de la alimentación al separador utilizando la. Q. ecuación de estado de Peng-Robinson con las cinco correlaciones convergentes para las propiedades críticas y el. ría. factor acéntrico de los pseudocomponentes. Los parámetros de interacción binaria (BIP) han sido tomados de la. ie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 128. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. referencia [16]. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xxii. RESÚMEN. ica. Determinación de la Composición de la Corriente de Alimentación a un Separador Líquido-Vapor, Proveniente de un Pozo de Hidrocarburos,. uí m. Mediante el Uso de Modelos Termodinámicos. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. En el presente trabajo de tesis se estudió la exactitud de cinco modelos termodinámicos, a saber, el modelo phi-phi para el equilibrio líquido-vapor de mezclas de componentes múltiples, y las ecuaciones cúbicas de estado de van der Waals, Redlich-Kwong, Soave-Redlich-Kwong, y Peng-Robinson, en la predicción de la composición de fluidos provenientes de pozos de hidrocarburos que son alimentados a un separador flash en la etapa de producción de pozos dentro del proceso de extracción de petróleo y gas natural. Para ello, se desarrolló un programa de ordenador, FlaSeHF, escrito en los lenguajes de programación C y C++, en el que se implementaron estas ecuaciones cúbicas de estado, para describir el comportamiento de las fases líquido y gas en equilibrio, de los fluidos de pozos de hidrocarburos. Dado que tales fluidos son mezclas de hidrocarburos, se trabajó con pseudocomponentes para modelar las fracciones pesadas. Para describir las propiedades de estos pseudocomponentes se utilizaron las correlaciones de Twu, Riazi-Daubert, Cavett, y Lee-Kesler para calcular la temperatura crítica y la presión crítica, y las correlaciones de LeeKesler y Edmister para el cálculo del factor acéntrico. Se estudió también la influencia de los parámetros de interacción binaria diferentes de cero, en los resultados. Al programa se ingresaron los datos de composición de la corriente gaseosa que sale del separador flash, la temperatura y presión de operación del separador, y el peso molecular y gravedad específica de la fracción pesada en la corriente gaseosa, de tres fluidos provenientes de pozos diferentes, estando dos de ellos ubicados en nuestro país. Los resultados demuestran que las mejores predicciones se alcanzaron con las ecuaciones de estado de Soave-Redlich-Kwong y de Peng-Robinson, siendo esta última superior a la primera, mientras que las ecuaciones de van der Waals y de Redlich-Kwong arrojaron resultados muy pobres o incluso no convergieron. Asimismo, la correlación de Cavett para el cálculo de la presión crítica y la temperatura crítica, y las correlaciones de Edmister y Lee-Kesler para el factor acéntrico de los pseudocomponentes, constituyen las mejores correlaciones en el presente estudio que permitieron la convergencia de los cálculos, dando porcentajes de desviación en el rango de 0.5% al 2% en el mejor de los casos, para la fracción mol de los componentes desde el metano hasta el propano. Los parámetros de interacción binaria diferentes de cero no ejercen influencia alguna sobre los resultados de los cálculos, siendo la diferencia respecto del uso de parámetros de interacción binaria cero, del orden del 1%... Br. Juan Carlos Díaz Vigo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. xxiii. ica. ABSTRACT. uí m. Calculation of the Composition of the Stream fed to a Liquid-Vapor Separator, coming from a Hydrocarbon Well, by using Thermodynamic Models. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. In the present thesis work, it was studied the accuracy of five thermodynamic models, i. e., the phi-phi model for multicomponent vapor-liquid equilibrium, and the van der Waals, Redlich-Kwong, Soave-Redlich-Kwong, and Peng-Robinson cubic equations of state, for predicting the composition of fluids coming from hydrocarbon reservoirs and fed to a flash separator in the well production stage of the petroleum and natural gas extraction industry. To achieve this, a computer program was developed, FlaSeHF, which was written in the C and C++ programming languages, and these cubic equations of state were implemented to describe the behavior of the hydrocarbon reservoir fluids liquid and gas phases being in equilibrium. Due to the fact that such fluids are hydrocarbon mixtures, it was necessary to wok with pseudocomponents for modeling the heavy fractions. In order to describe these pseudocomponent properties, the Twu, Riazi-Daubert, Cavett, and Lee-Kesler correlations were used to calculate the critical temperature and pressure, and the Lee-Kesler and Edmister correlations for the acentric factor computation. The influence of the binary interaction parameters different than zero on the results was also studied. The data entered to the program were the composition of the gas stream leaving the separator, the separator temperature and pressure, and the molecular weight and specific gravity of the heavy fraction in the gas stream, of three fluids coming from different wells, being two of them located in Peru. The results show that the best predictions were achieved with the SoaveRedlich-Kwong and Peng-Robinson equations of state, being the latter superior to the former, while the van der Waals and Redlich-Kwong equations gave very poor results and even did not converge. In addition, the Cavett correlation for calculating the critical pressure and temperature, and the Edmister and Lee-Kesler correlations for the acentric factor of the pseudocomponents, are the best correlations in the present study that allowed the convergence of the computations, yielding deviations within the 0.5% – 2% range, in the best of cases, for the value of the mol fraction of components from methane through propane. The binary interaction parameters different than zero do not influence on the calculations results, being the difference between these and those set to zero, around 1%. Juan Carlos Díaz Vigo, Bachelor of Chemical Engineering. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Determinación de la Composición de la Corriente de Alimentación a un Separador Líquido-Vapor, Proveniente de un Pozo de Hidrocarburos, Mediante el Uso de Modelos Termodinámicos. 1. ____________________________________________________________________. Capítulo 1. uí m. ica. Introducción. En la industria de hidrocarburos, los datos, tanto volumétricos como de comportamiento de fases, exactos y confiables, son elementos esenciales para una administración apropiada de reservorios de petróleo y gas natural.. Q. Esta información es requerida para evaluar reservas, para desarrollar el plan de recuperación óptima, y para determinar la cantidad y calidad de los fluidos. ría. producidos.. El énfasis principal está dado en los datos volumétricos a las temperaturas del. ie. reservorio y de superficie, de aquí el nombre datos PVT (presión, volumen,. en. temperatura).. En el método más simple de predecir los datos PVT, se considera que el fluido del. In g. reservorio está compuesto de dos pseudocomponentes, gas y petróleo. Estos pseudocomponentes son identificados sometiendo a flash el fluido del reservorio a condiciones estándar, y caracterizando las fases separadas de gas y líquido por su gravedad específica y peso molecular.. de. Un modelo del comportamiento de fases basado en las composiciones es, en principio, capaz de predecir todos los datos PVT, usando solamente la composición. ca. del fluido original del reservorio. Sin embargo, se requiere que los modelos sean evaluados y ajustados a los datos PVT medidos antes de ser usados con confianza en. lio te. estudios de reservorio. El método basado en las composiciones, el cual puede proporcionar información confiable usando computadoras (sean estas ordenadores o estaciones de trabajo), se está volviendo muy popular. Muchos investigadores han estudiado diferentes correlaciones y modelos para. Bi b. predecir los resultados de operaciones flash de fluidos de reservorio y correlacionar sus propiedades críticas, realizando mediciones en diferentes muestras de hidrocarburos de diferentes partes del mundo, y han conseguido mejorar las correlaciones y métodos de cálculo que pueden ser implementados apropiadamente en códigos de software para su aplicación en la industria. Tal es el caso de Nasrifar,. Díaz Vigo Juan Carlos. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Determinación de la Composición de la Corriente de Alimentación a un Separador Líquido-Vapor, Proveniente de un Pozo de Hidrocarburos, Mediante el Uso de Modelos Termodinámicos. 2. ____________________________________________________________________ Pedersen, J. C. de Hemptinne, entre otros, que han hecho uso de ecuaciones de estado y correlaciones para estudiar la termodinámica y predecir las propiedades de. ica. mezclas de hidrocarburos provenientes de yacimientos de petróleo y gas natural [1, 2, 3, 4, 5]. Estos modelos se están implementando en los simuladores de procesos químicos comerciales.. uí m. Los paquetes de software de simulación de procesos químicos actuales, si bien tienen rutinas que realizan cálculos flash, no cuentan con módulos para calcular la composición de la alimentación al equipo flash a partir de datos de composición de. Q. la fase gaseosa producto de esta operación. Es decir, solamente puede calcularse la composición de las corrientes de salida del separador (líquido y gas), ingresando la. composición de únicamente la fase gaseosa.. ría. compsición de la alimentación, mas no la composición de esta última partiendo de la. ie. El presente trabajo tiene como objetivo abordar este problema mediante el uso de modelos termodinámicos y correlaciones probadas en el campo de los. en. hidrocarburos, y su implementación en un programa de ordenador que haga posible. In g. tal cálculo.. ANTECEDENTES Y SITUACIÓN ACTUAL DEL ESTUDIO DE LA. de. TERMODINÁMICA DE MEZCLAS DE HIDROCARBUROS. Se ha hecho uso de modelos termodinámicos, entre los que destacan las ecuaciones cúbicas de estado, para calcular las propiedades, el equilibrio líquido-vapor y. ca. describir el comportamiento de los hidrocarburos, ya sea de componentes puros o mezclas de estos.. lio te. Los modelos termodinámicos están siendo muy empleados por la comunidad de ingenieros de petróleo e ingenieros químicos que se valen de ellos para predecir la naturaleza de los fluidos provenientes de pozos y yacimientos de hidrocarburos.. Bi b. Kh. Nasrifar y O. Bolland hicieron un estudio comparativo de diez ecuaciones de estado para predecir el punto de rocío de gas natural [1]. Ellos reportan que los mejores resultados se obtuvieron con la familia de ecuaciones de estado de RedlichKwong y de Patel-Teja. También se reporta en la literatura científica el empleo de. Díaz Vigo Juan Carlos. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Determinación de la Composición de la Corriente de Alimentación a un Separador Líquido-Vapor, Proveniente de un Pozo de Hidrocarburos, Mediante el Uso de Modelos Termodinámicos. 3. ____________________________________________________________________ correlaciones análogas a ecuaciones de estado para la viscosidad y conductividad térmica de hidrocarburos y fluidos de reservorio [6].. ica. Cabe destacar asimismo el trabajo de Karen Schou Pedersen en el que estudia la aplicación de la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong a fluidos de. uí m. yacimientos de petróleo [2, 3, 4].. Debido a la no linealidad y multitud de parámetros que deben calcularse para poder utilizar las ecuaciones de estado y coeficientes de fugacidad, entre otros modelos. Q. termodinámicos, es necesario el uso de algoritmos y métodos numéricos para llevar a cabo estos cálculos. Es en este punto donde el ingeniero químico se vale de un. ría. lenguaje de programación para implementar los algoritmos de cálculo para el modelo desarrollado a partir de los modelos termodinámicos escogidos.. ie. Esta necesidad y uso de las herramientas informáticas por parte de los ingenieros químicos ha existido desde los primeros años del desarrollo de la profesión de. en. ingeniería química y se ha ido perfeccionando y cambiando conforme los problemas. In g. de ingeniería han crecido en número y complejidad.. Particularmente la industria de hidrocarburos se ha favorecido mucho de estas herramientas. Se tiene por ejemplo los trabajos científico-técnicos publicados en. de. revistas importantes como Hydrocarbon Processing, Industrial and Engineering Chemistry, y Computers and Chemical Engineering. Artículos de suma importancia para la ingeniería química y la industria de hidrocarburos lo constituyen los de los. ca. autores J. C. Wang y G. E. Henke, y Neal R. Amudson y Arlene J. Pontinen, que se han convertido en la referencia primaria de los trabajos de investigación sobre. lio te. algoritmos y métodos computacionales para la simulación de procesos de separación en ingeniería química como destilación, absorción y extracción [7, 8].. Bi b. En la actualidad, la importancia de los métodos computacionales y herramientas de la informática para el cálculo del equilibrio líquido-vapor y los coeficientes de actividad de sistemas de componentes múltiples usando ecuaciones de estado, se ha hecho concreto con el uso que hacen de ellos las grandes empresas petroleras a través de simuladores comerciales que los han implementado. Tal es el caso de la. Díaz Vigo Juan Carlos. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Determinación de la Composición de la Corriente de Alimentación a un Separador Líquido-Vapor, Proveniente de un Pozo de Hidrocarburos, Mediante el Uso de Modelos Termodinámicos. 4. ____________________________________________________________________ empresa Petróleo Brasileiro S.A., Petrobras, que ha llegado a diseñar y codificar su propio simulador además de utilizar varios de uso comercial [9].. ica. La comunidad académica no es la excepción, así lo demuestra el reconocido investigador e ingeniero químico Dr. Stanley Sandler, quien es profesor en la. Universidad de Delaware y una autoridad en termodinámica y autor de libros de. uí m. termodinámica en ingeniería química [10]. Él ha sido autor de dos programas de computadora para cálculos termodinámicos.. Q. Cabe señalar, sin embargo, que la creciente complejidad de los sistemas de procesos químicos, y de la ingeniería de petróleo en particular, ha hecho necesario utilizar los. ría. recientes avances de campos de la ciencia de la computación, como la inteligencia artificial, para resolver los problemas inherentes a la predicción de propiedades de. ie. fluidos, como la presión de punto de rocío de reservorios de gas condensado [11].. en. Todo lo expuesto da cuenta del uso extensivo e intensivo de la termodinámica y demás modelos matemáticos en el área de la ingeniería química, llamada ingeniería. hidrocarburos.. In g. de sistemas de procesos, particularmente en el campo de estudio de los fluidos de. de. El problema abordado en el presente trabajo de investigación es: ¿Es posible determinar la composición de la corriente de alimentación a un separador líquido-vapor proveniente de un pozo de hidrocarburos conociendo la. ca. composición de la corriente de vapor?. lio te. La hipótesis planteada es: Sí es posible determinar la composición de la corriente de alimentación a un. separador líquido-vapor proveniente de un pozo de hidrocarburos conociendo la. Bi b. composición de la corriente de vapor. Mediante el uso de modelos termodinámicos, como ecuaciones cúbicas de estado, y balances de materia se modela el proceso de separación flash de una corriente de hidrocarburos. y se procede luego a. implementar este modelo en un programa de computadora que permitirá determinar la composición de la alimentación de hidrocarburos a un separador líquido-vapor.. Díaz Vigo Juan Carlos. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Determinación de la Composición de la Corriente de Alimentación a un Separador Líquido-Vapor, Proveniente de un Pozo de Hidrocarburos, Mediante el Uso de Modelos Termodinámicos. 5. ____________________________________________________________________. Capítulo 2. ica. Fundamento Teórico. uí m. 2.1. Fundamento Termodinámico. En las industrias de procesos químicos, las mezclas de fluidos son separadas. Q. frecuentemente en sus componentes por operaciones de difusión tales como destilación, absorción, y extracción. El diseño de tales operaciones requiere. ría. estimados cuantitativos de las propiedades de equilibrio parciales de las mezclas de fluidos. Cuando es posible, tales estimados deberían basarse en datos. ie. experimentales confiables para la mezcla particular a condiciones de temperatura, presión, y composición correspondiente a aquellas de interés. Desafortunadamente,. en. tales datos no se encuentran disponibles con frecuencia. En casos típicos, solamente están a la mano datos fragmentados y es necesario reducir y correlacionar los datos. In g. limitados para hacer las mejores interpolaciones y extrapolaciones posibles.. La literatura científica que trata el equilibrio de fases de los fluidos se remonta a 100. de. años atrás y ha alcanzado proporciones monumentales, incluyendo miles de artículos y centenares de libros y monografías.. ca. Existe una diferencia importante entre calcular composiciones en equilibrio de fases y calcular propiedades típicas volumétricas, energéticas, o de transporte de fluidos. lio te. de composición conocida. En el último caso estamos interesados en la propiedad de las mezclas como un todo, mientras que en el anterior estamos interesados en las propiedades parciales de componentes individuales que constituyen la mezcla. Por. Bi b. ejemplo, para encontrar la caída de presión de una mezcla líquida que fluye a través de una tubería, necesitamos la viscosidad y la densidad de esa mezcla líquida a la composición particular de interés. Pero si lo que pedimos es la composición del vapor que está en equilibrio con la mezcla líquida, ya no es suficiente conocer las propiedades de la mezcla líquida a la composición particular; debemos conocer. Díaz Vigo Juan Carlos. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Determinación de la Composición de la Corriente de Alimentación a un Separador Líquido-Vapor, Proveniente de un Pozo de Hidrocarburos, Mediante el Uso de Modelos Termodinámicos. 6. ____________________________________________________________________ ahora, además, cómo ciertas propiedades suyas (en particular la energía de Gibbs) dependen de la composición. En cálculos de equilibrio de fases, debemos conocer. ica. propiedades parciales, y para encontrarlas, típicamente diferenciamos datos con respecto a la composición. Cuando sea que los datos experimentales son. diferenciados, hay una pérdida de exactitud, con frecuencia una pérdida seria. Dado. uí m. que en el equilibrio de fases se necesitan las propiedades parciales, más que las totales, no es sorprendente que los cálculos de equilibrio de fases son casi siempre más difíciles y menos exactos que aquellos para otras propiedades encontradas en. ría. Q. diseño de procesos químicos.. ie. 2.1.1. Termodinámica de Equilibrio Líquido-Vapor. Es de interés una mezcla líquida que, a la temperatura T y presión P, está en. en. equilibrio con una mezcla de vapor a la misma temperatura y presión. Las cantidades de interés son la temperatura, la presión, y las composiciones de ambas. In g. fases. Dadas algunas de estas cantidades, se debe calcular las otras. Para cada componente i en la mezcla, la condición de equilibrio termodinámico está. de. dado por. f iV  f i L. (1). f  fugacidad. lio te. ca. donde V  vapor L  líquido. El problema fundamental es relacionar estas fugacidades con la composición de la mezcla. En la discusión subsiguiente, se desprecia los efectos debido a la gravedad,. Bi b. campos eléctricos o magnéticos, membranas semipermeables, o algunas otras condiciones especiales.. La fugacidad de un componente en una mezcla depende de la temperatura, presión, y composición de esa mezcla. En principio, puede usarse cualquier medida de. Díaz Vigo Juan Carlos. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Determinación de la Composición de la Corriente de Alimentación a un Separador Líquido-Vapor, Proveniente de un Pozo de Hidrocarburos, Mediante el Uso de Modelos Termodinámicos. 7. ____________________________________________________________________ composición. Para la fase vapor, la composición se expresa casi siempre como la fracción mol y. Para relacionar f iV con la temperatura, presión, y fracción mol, es. f iV yi P. uí m. i . ica. útil introducir el coeficiente de fugacidad  i. (2). ría. de estado. Para una mezcla de gases ideales i  1 .. Q. que puede calcularse a partir de datos PVTy, generalmente dados por una ecuación. El coeficiente de fugacidad  i depende de la temperatura y la presión y, en una. ie. mezcla de componentes múltiples, de todas las fracciones mol en la fase vapor, no solamente yi. El coeficiente de fugacidad es, por definición, normalizado de tal. en. forma que conforme P  0 , i  1 para toda i. A presiones bajas, por lo tanto, generalmente es una buena asunción establecer i  1 . Pero justamente lo que. In g. “bajas” significa depende de la composición y temperatura de la mezcla. Para mezclas típicas de fluidos no polares (o ligeramente polares) a una temperatura cercana o sobre el punto de ebullición normal del componente menos volátil,. de. presión “baja” significa una presión menor de unos pocos bares. Sin embargo, para mezclas que contienen un ácido carboxílico fuertemente asociativo, por ejemplo,. ca. agua-ácido acético a 25oC, los coeficientes de fugacidad podrían diferir apreciablemente de la unidad a presiones mucho menores que 1 bar. Para mezclas. lio te. que contienen un componente de volatilidad muy baja y otro de volatilidad alta, por ejemplo, decano-metano a 25oC, el coeficiente de fugacidad del componente ligero podría estar cercano a la unidad para presiones hasta 10 o 20 bar mientras que a la misma presión el coeficiente de fugacidad del componente pesado es típicamente. Bi b. mucho menor que la unidad.. La fugacidad del componente i en la fase líquida se relaciona a la composición de esa fase a través del coeficiente de actividad  i . En principio, puede usarse cualquier escala de composición; la elección es estrictamente un tema de. Díaz Vigo Juan Carlos. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Determinación de la Composición de la Corriente de Alimentación a un Separador Líquido-Vapor, Proveniente de un Pozo de Hidrocarburos, Mediante el Uso de Modelos Termodinámicos. 8. ____________________________________________________________________ conveniencia. Para algunas soluciones acuosas, las escalas usadas frecuentemente son molalidad y molaridad; para soluciones poliméricas, una escala útil es la. ica. fracción en volumen. Sin embargo, para soluciones típicas que contienen no electrolitos de peso molecular normal (incluyendo agua), la medida más útil de. concentración es la fracción mol x. El coeficiente de actividad  i está relacionado. Q. (3). ría. ai fiL i   xi xi f i o. uí m. con xi y a la fugacidad en el estado-estándar f i o por. donde ai es la actividad del componente i. La fugacidad en el estado estándar f i o es. ie. la fugacidad del componente i a la temperatura del sistema, por ejemplo, la mezcla, y a algunas presión y composición escogidas arbitrariamente. La elección de la. en. presión al estado estándar y la composición está dictaminada sólo por la conveniencia, pero es importante recordar que los valores numéricos de  i y ai no. In g. tienen significado a menos que f i o sea especificado claramente.. Mientras que hay algunas excepciones importantes, los coeficientes de actividad. de. para la mayoría de las soluciones típicas de no electrolitos están basadas en un estado estándar donde, para cada componente i, f i o es la fugacidad del líquido puro i. ca. a la temperatura y presión del sistema; por ejemplo, la presión escogida arbitrariamente es la presión total P, y la composición escogida arbitrariamente es xi. lio te. = 1. Frecuentemente, esta fugacidad al estado estándar se refiere a un estado hipotético, ya que podría suceder que el componente i no puede existir físicamente. como líquido puro a la temperatura y presión del sistema. Afortunadamente, para. Bi b. muchas mezclas comunes es posible calcular esta fugacidad en el estado estándar mediante extrapolaciones modestas con respecto a la presión; y dado que las propiedades de la fase líquida distantes de la región crítica no son sensibles a la presión (excepto a altas presiones), tal extrapolación introduce una pequeña incertidumbre. En algunas mezclas, sin embargo, para ser exactos, aquellas que contienen componentes supercríticos, se requieren extrapolaciones con respecto a la. Díaz Vigo Juan Carlos. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Determinación de la Composición de la Corriente de Alimentación a un Separador Líquido-Vapor, Proveniente de un Pozo de Hidrocarburos, Mediante el Uso de Modelos Termodinámicos. 9. ____________________________________________________________________ temperatura, y estas, cuando se llevan a cabo sobre una región apreciable de temperatura, podrían llevar a incertidumbres grandes.. ica. Cuando sea que la fugacidad en el estado estándar es la correspondiente al líquido puro a la temperatura y presión del sistema, obtenemos la relación limitante que. 2.1.2. Equilibrio Líquido-Vapor a Presiones Altas. uí m.  i  1 conforme xi  1 .. Los cálculos de equilibrio líquido-vapor a presiones altas son más dificultosas que. Q. aquellos a presiones bajas o moderadas por varias razones.. ría. 1. El efecto de la presión en las propiedades de la fase líquida sólo es significativo a presiones altas. A presiones bajas o moderadas este efecto. ie. frecuentemente se puede despreciar o aproximar; la aproximación común es. en. asumir en la ecuación (3) que la fugacidad en el estado estándar depende de la presión (como está dado por el factor de Poynting) pero el coeficiente de actividad es independiente de la presión a temperatura y composición. de. In g. constante. Dado que. L V i  V purei   ln  i     RT  P  T , x L. (4). ca. La asunción de que el coeficiente de actividad  i es independiente de la presión es equivalente a asumir que en la fase líquida el volumen molar L. lio te. parcial V i es igual al volumen molar del líquido puro i. A presiones altas,. específicamente en la región crítica, esta asunción puede llevar a errores. Bi b. serios.. 2. El coeficiente de fugacidad de la fase vapor  i debe encontrarse a partir de una ecuación de estado apropiada para presiones altas. Tales ecuaciones tienden a ser complejas. En cambio, a presiones bajas con frecuencia se. Díaz Vigo Juan Carlos. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.