Variación de las propiedades en la región fase densa; Parte 2 – Gas Natural

En el último previo del mes (PDM) hemos descrito la fase densa de un compuesto puro y como esta impacta los procesos. Ilustramos como los cambios de las propiedades termo físicas  cambian en la fase densa así como las fases vecinas. La aplicación de la fase densa en la industria del petróleo y gas fue discutida brevemente. En este PDM, discutiremos el comportamiento de sistemas multicomponentes, como los gases naturales.

Cuando se comprime un gas natural por encima de la cricomdenbara, la región entre la temperatura crítica, y cricondenterma,  se convierte en un fluido altamente compresible, que refleja tanto las propiedades de líquido y gas. La Figura 1 presenta las distintas regiones del diagrama de fases de un gas natural típico con la composición indicada en la Tabla 1.

Table 1. Composition of the natural gas used in this study

Para la conveniencia  y simplicidad, definimos que  la fase densa se ubica entre la temperatura crítica y cricondenterma, si la presión es mayor es mayor que la cricondenbara.    En la    práctica     no    existe   una   línea   clara ( e.i. temperatura crítica) dividiendo la fase densa de la fase líquida, u otra línea única  (e.i. cricondenterma) dividiendo la fase densa de la fase gaseosa. Tanto el borde izquierdo (temperatura crítica) , como  borde derecho (cricondenterma) deben ser reemplazados por una región de transición. Existe una transición gradual de la fase gaseosa a la fase densa, y otra transición gradual de la fase densa a la fase líquida. La fase dense es comúnmente identificada como un ¨fluido denso¨ para distinguirlo del gas y líquido normal (ver la Figura 1). La fase densa es una cuarta (Sólida, Líquida, Gaseosa, Densa) fase que no  puede ser percatada por los sentidos. La palabra ¨fluido¨ se refiere a cualquier sustancia con capacidad de fluir, y se aplica equitativamente a un gas como líquido. La fase densa posee una viscosidad muy similar a la del gas, pero una densidad más cercana a la del líquido. Por sus propiedades únicas la fase densa se ha presentado atractiva para el transporte del gas natural.

Gasoductos han sido construidos para el transporte del gas natural en la fase densa debido a su densidad incrementada. Esto también provee un beneficio adicional de no presentar la formación de líquidos en el caño, lo cual reduce las corridas de ¨marrano¨, más caídas de presión lo cual resulta en un OPEX reducido. La densidad incrementada a mayor presión en la fase densa permite el transporte de mayor masa por unidad de volumen resulta en mayor CAPEX. Sin embargo la merma en el OPEX generalmente  compensa el CAPEX incrementado. Como se observa en la secciones siguientes la viscosidad de la fase densa es muy similar a la viscosidad del gas. La densidad en la fase  densa es mas cercana a la densidad del líquido.

En la próxima sección ilustraremos la variación de las propiedades termo físicas en la fase densa y sus fases vecinas. Las propiedades del gas natural han sido calculadas por el ¨software¨ HYSYS para una serie de temperaturas y presiones. La Tabla 2 presenta las presiones y temperaturas y sus tendencias aplicados en este estudio.
Las propiedades termo físicas se grafican como función de presión y temperatura en las Figuras 2 al 9. La propiedad termofísica se muestra en la coordenada – y de la izquierda, temperatura en la coordenada – x, y la presión en la coordenada – y de la derecha.

Tabla2. Combinaciones Presión- Temperatura y las tendencias seleccionadas para el gas natural.

Densidad:
La Figura 2 presenta la variación de la densidad en distintas fases como función de presión y temperatura. En la tendencia isobárica de subenfriamiento AB la densidad líquida se incrementa precipitosamente. Sin embargo, la compresión isotérmica en la tendencia BC, se nota un leve aumento de la densidad.  En la tendencia isobárica CD, la densidad del líquido disminuye gradualmente mientras aumenta la temperatura muy dentro de la fase densa. Sin embargo, mientras sigue en aumento la temperatura dentro de la fase densa, la reducción de la densidad se acelera. La reducción de densidad se acelera seguidamente durante la expansión isotérmica DE. Enfriamiento isobárico en la región EF corresponde con un aumento agudo en la densidad. Puede notarse que los valores de la densidad de la fase densa se asemejan a la de la fase líquida en algunas áreas de la fase densa, y es significativamente 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 tendencia isobárica de subenfriamiento AB, la viscosidad del líquido aumenta notablemente. Sin embargo, en la compresión isotérmica BC, un cambio leve se observa en la viscosidad. En la región isobárica CD, la viscosidad del líquido comprimido disminuye marcada e linealmente en función del aumento de la temperatura marcadamente dentro de la fase densa. Mientras aumenta la temperatura adicionalmente dentro de la fase densa, la reducción de la viscosidad se torna gradual y se asemeja a la viscosidad del gas. La reducción de viscosidad se torna mínima durante la expansión isotérmica DE. Enfriamiento isobárico a través del EF hasta la temperatura del punto de rocío corresponde a ningún cambio notable de viscosidad, pero aumenta notablemente en la región bifásica. Con propósito de completar la Figura, la viscosidad bifásica fue estimada por:

donde (V/F) , y (L/F) representan las fracciones molares de vapor y líquido respectivamente.

Factor de Compresibilidad:
En general, el factor de compresibilidad, Z, calculado por una ecuación de estado no es correcto para la fase líquida. De esta manera, la Figura 4, la cual presenta el factor de compresibilidad como función de presión y temperatura debe se considerado solo para el estudio cualitativo. En la región isobárica de subenfriamiento AB, Z disminuye. Sin embargo, en la compresión isotérmica de la región BC, Z aumenta drásticamente. En la región CD isobárica, Z permanece casi constante en la región del líquido comprimido, pero aumenta gradualmente mientras aumenta la temperatura marcadamente dentro de la fase densa. Mientras la temperatura aumenta seguidamente dentro de la fase densa, el aumento de Z se acelera. El aumento en Z, se acelera adicionalmente en la fase densa durante la  expansión isotérmica DE. Enfriamiento isobárico a través del EF corresponde a un decremento gradual de Z. En la región bifásica Z no es aplicable, por ende su valor no se ha graficado.

Tensión Superficial:
La Figura 5 indica que en la fase líquida la tensión superficial es función marcada de temperatura, pero independiente de la presión. En la fase de gas, la tensión superficial no es aplicable y su valor es cero. En la región bifásica alcanza un valor máximo.

Capacidad de Calor:
Generalmente, la capacidad de calor es aplicable en la región monofásica, y no se debe usar cuando existe cambio de fase. La Figura 6 presenta la variación de la capacidad de calor en distintas fases como función de presión y temperatura. En la región isobárica de subenfriamiento AB, la capacidad de calor del líquido disminuye. En la compresión isotérmica BC, se observa un pequeño aumento en la capacidad de calor. En la región isobárica CD, el líquido comprimido muestra un aumento precipitoso en su capacidad de calor mientras aumenta la temperatura, pero empieza a disminuir dentro de la fase densa. Mientras sigue el aumento de temperatura dentro de la fase densa, la capacidad de calor disminuye. Este comportamiento es algo inusual, y se han calculado valores algo altos. Varios resultados se obtuvieron para el metano puro en el previo PDM. Aumento en la capacidad de calor se nota adicionalmente durante la expansión isotérmica DE. El enfriamiento isobárico a través del EF corresponde a un aumento leve de la capacidad de calor hasta lograr un valor máximo, para luego disminuir dentro de la región bifásica.

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 subenfriamiento AB, la conductividad térmica del líquido aumenta precipitosamente. A través de la tendencia de compresión isotérmica BC no se observó ningún cambio. En la región isobárica CD, la conductividad térmica del líquido comprimido disminuye marcadamente mientras aumenta la temperatura dentro de la fase densa. Sin embargo, mientras aumenta la temperatura adicionalmente dentro de la fase densa, la reducción es gradual. Reducción de la conductividad térmica se nota adicionalmente a través de la expansión isotérmica DE. Enfriamiento isobárico del GAS en la región DE corresponde a una decremento leve en éste parámetro y se extiende dentro de la fase densa. La conductividad térmica se computó de la misma manera descrita en la sección de viscosidad.

Entalpía y Entropía:
Las Figuras 8, y 9 presentan la variación de la entalpía  y entropía en distintas fases como función de presión y temperatura. Como se demuestra en estas figuras, sus variaciones cualitativas son similares. En la región de subenfriamiento isobárico AB, la entalpía y entropía disminuyen. En la región BC de compresión isotérmica BC, no se observa ninguna variación. Durante la travesía CD isobárica, los valores de entalpía y entropía aumentan gradualmente mientras aumenta la temperatura marcadamente dentro de la fase densa. El aumento de éstos parámetros se nota adicionalmente durante la expansión isotérmica del DE. Enfriamiento isobárico del vapor a través del EF corresponde a una disminución de la entalpía y entropía.

Conclusiones:
El comportamiento de la fase densa es único y posee atributos especiales. Las propiedades termofísicas en esta fase pueden variar muy  anormalmente. Se debe ejercer cuidado cuando se aplican las ecuaciones de estado para predecir éstas en la fase densa La evaluación de las ecuaciones de estado debe lograrse de antemano para asegurar su certeza en esta región. Muchos simuladores ofrecen la opción para aplicar algoritmos basados en líquidos (e.g. COSTALD) para esta región. También se recomienda no usar la capacidad de calor en la región bifásica (gas-líquido), y en la fase densa. En estas regiones, se debe aplicar la entalpía para evaluar cargas térmicas, cómputos de balance de energía.
Existe un cambio gradual en la transición de fases de gas-a-densa, y densa-a-líquida o viceversa. La fase densa es un fluido altamente compresible que demuestra tanto las propiedades de líquido y el gas. La fase densa posee una viscosidad similar a la del gas. Pero una densidad más cercana a la del líquido. Esta es una condición que favorece el transporte del gas en la fase densa.

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La consultoría JMC puede proveer pericias referente a los proyectos de fase densa, lo cual asegura que el modelo de procesos desarrollado es uno con la mayor precisión posible en cuanto a las predicciones de las propiedades termofísicas en la fase densa. Con los consultores de mayor solicitud en la industria mundial energética, la Consultoría John M. Campbell arroja los servicios de primera selección para los clientes selectivos. Para mayor información sobre estos servicios ofertados por la Campbell, visiten nuestro correo en la red en Campbell Consulting.

By: Dr. Mahmood Moshfeghian

Traducido al Español por: Dr. Frank E. Ashford

Reference:

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