1.1 CONCEPTO.Se denomina gas natural al formado por los miembros
ms voltiles de la serie parafnica de hidrocarburos, principalmente
metano, cantidades menores de etano, propano y butano, y
finalmente, puede contener cantidades muy pequeas de compuestos ms
pesados. Adems, puede contener en varias cantidades, gases no
hidrocarburos, como dixido de carbono, sulfuro de hidrgeno (cido
sulfdrico), nitrgeno, helio, vapor de agua, etc.El gas natural
puede existir como tal, en yacimientos de gas, o asociado con
yacimientos de petrleo y de condensado (porciones voltiles de
petrleo). Particularmente en Venezuela la mayora del gas proviene
de yacimientos de petrleo.1.2 CLASIFICACIN DEL GAS NATURALEl Gas
natural, puede clasificarse como: Gas Dulce: Es aquel que no
contiene sulfuro de hidrgeno. Gas Agrio: Es aquel que contiene
cantidades apreciables de sulfuro de hidrgeno y por lo tanto es muy
corrosivo. Gas Rico: (Hmedo) Es aquel del que puede obtenerse
cantidades apreciables de hidrocarburos lquidos. No tiene que ver
nada con el contenido de vapor de agua. Gas Pobre: (Seco) Est
formado prcticamente por metano.1.3 PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO
DEL GAS NATURALEn la forma ms simple, un gas puede considerarse
compuesto de partculas sin volumen y entre las cuales no existen
fuerzas de atraccin. Es un fluido homogneo, generalmente de baja
densidad y viscosidad, sin volumen definido y llena cualquier
volumen en que se coloca.La anterior definicin de gas, generalmente
se cumple a condiciones de baja presin y temperatura, pero
gradualmente se aparta de esta definicin y el comportamiento terico
se aparta del observado. A medida que aumenta la presin y
temperatura, debe incluirse el volumen de las molculas y fuerzas
entre ellas. Los gases que cumplen la definicin dada en el prrafo
anterior, se denominan gases perfectos o ideales. Los que no
cumplen esta definicin se denominan gases reales.1.4 1.4 CONCEPTO
DE MOL LEY DE AVOGADRO.En general el concepto del mol se ha usado
para relacionar la cantidad de una sustancia respecto a otra. La
masa de un tomo de carbono se ha fijado arbitrariamente en 12 y las
masas relativas de otros elementos o molculas se ha determinado de
acuerdo a sus pesos atmicos o moleculares. El peso molecular, es el
peso relativo de una molcula de una sustancia, en base a que la
molcula de oxigeno, O2, pesa 32. La suma de los pesos atmicos de
los tomos que forman una molcula se denomina peso molecular. Un mol
de una sustancia es la cantidad de ella, cuya masa, en el sistema
de unidades seleccionado (mtrico, ingls), es numricamente igual al
peso molecular.La ley de Avogrado dice: iguales volmenes de gases
ideales, a las mismas condiciones de presin y temperatura,
contienen igual nmero de molculas. Este nmero es 6.023 x 1023
molculas para un gramo-mol (un mol expresado en gramos; por ejemplo
para oxgeno, O2, sera 32 gramos) de una sustancia a O C y 1
atmsfera. Tal nmero de molculas ocupa 22415 c. cu. a tales
condiciones de presin y temperatura. El nmero de molculas por
libra-mol (un mol expresado en libras; por ejemplo, para oxgeno,
O2, sera 32 libras), a 32 F (OC) y 1 atmsfera, contiene 453 x 6.02
x 1023 = 2.7 x 1026 molculas y un volumen de 359 p. cu. Este mismo
nmero de molculas, ocupa 379 p. cu. a 60 F y 14.7 lpca.1.5 LEY DE
LOS GASES PERFECTOSEsta ley, relaciona en una ecuacin, la
temperatura, presin y volumen para gases perfectos. Es una
combinacin de las leyes de Boyle, Charles (tambin conocida como ley
de Gay-Lussac) y de Avogrado. La ley de Boyle dice: para un peso de
gas dado, a temperatura constante, el volumen vara inversamente con
la presin absoluta, (1)tambin se expresa: a temperatura constante,
la densidad de un gas vara directamente con la presin absoluta, ? =
(Constante) x P (2)pero, ? = (3)de donde, = (constante) x P
(4)luego, PV = W x (Constante) = constante = C1 (T = Cosnt.) (5)
Fig. 1 Ley de Boyle Fig. 2 Ley de Charles (Gay-Lussac) La ley de
Charles (Gay-Lussac>) dice: para un peso de gas dado, a presin
constante, el volumen vara directamente con la temperatura
absoluta. Tambin puede expresarse: a volumen constante, la presin
vara directamente con la temperatura absoluta, (6) (7)o tambin: a
presin constante, la densidad de un gas vara inversamente con la
temperatura absoluta,? = (Constante) x (8)reemplazando la Ec. (3) =
(constante) x (9) = W x (constante) = constante = C2 (P = Const.)
(10)para la ley de Boyle, si se representa grficamente presin como
funcin de volumen, para una temperatura constante, es una hiprbola.
En cambio la ley de Charles (Gay-Lussac), puede representarse
graficando temperatura como funcin de volumen, a presin constante,
o graficando temperatura como funcin de presin, a volumen
constante; en ambos casos son lneas rectas que pasan por el origen,
indicando que en el cero absoluto, el volumen y la presin son cero.
Sin embargo, antes de llegar a cero absoluto, cualquier gas se ha
licuado y estas leyes ya no se aplican. Las fig. 1 y 2 ilustran lo
anterior.Las leyes de Boyle y Charles pueden combinarse en la
siguiente forma: sea un peso dado de gas que ocupa un volumen V1 a
P1 y T1 y se va a llevar a P2 y T2, donde ocupa un volumen V2 a
estas condiciones. Esto puede hacerse en 2 etapas: (1) por la ley
de Boyle se lleva de V1P1 (T1 = Const.) a VP2 (T1 = conts.); (2) se
aplica la ley de charles y se lleva VT1 (P2 = Conts.) a V2T2 (P2 =
conts.). analticamente: (11) (12) igualando los valores de V, (13)
(14)ya que las condiciones 1 y 2 pueden ser cualesquiera, puede
escribirse en general, (15)Esta ecuacin tambin puede deducirse
fcilmente si se considera en general, V = f (P, T)
(16)Diferenciando, (17)De la ley de Boyle, Ec. (1) o (5),
diferenciando respecto a P, (18)De la ley de Charles, Ec. (6) o
(10), diferenciando respecto a T, (19)reemplazando las Ecs. (18) y
(19) en la Ec. (17), (20) (21)Integrando entre 1 y 2, (22) (23)En
este punto se introduce la ley de Avogrado. A determinadas
condiciones de presin y temperatura, P y T, un mol de cualquier gas
ocupar un mismo volumen V. Por tanto, para un mol de gas, puede
escribirse, (24)donde R es una constante para todos los gases, por
mol de gas. Para n moles de un gas,PV = n RT (25)Y ya que n, es el
peso total de gas, W, dividido por el peso molecular, M, (26)Las
Ecs. (25) y (26) son formas de la ecuacin general de los gases
ideales.El valor de la constante R depende de las unidades
empleadas de presin, volumen y temperatura. Considrese: P = lpca, T
= R y V = p. cu. a 60 F y 14.7 lpca, el volumen de un mol (n = 1),
tendr un volumen de 379 p. cu. de donde, para otras unidades de P,
V y T, la Tabla I incluye diferentes valores de R.Tabla I - Valores
de la constante general de los gases para diferentes unidades de P,
V y T.P V T n RAtm. c.cu* K (273.16 + C) grs./M 82.1Atm. Lts. K
(273.16 + C) grs./M 0.0821Atm. P.cu R (460 + F) lbs./M 0.7302Lpca
Pu.cu. R (460 + F) lbs./M 18510Lpca P.cu R (460 + F) lbs./M
10.73Lppca** p.cu. R (460 + F) lbs./M 1545* Centmetros cbicos. Pies
cbicos. Pulgadas cbicas.** Libras por pie cuadrado
absoluta.Ejemplo: 500 gms. de etano (C2) se colocan en un tanque de
10000 c.cu. Si la temperatura es de 50 C, cul es la presin en el
tanque?Solucin: de la Ec. (26), 1.6 DENSIDAD, VOLUMEN ESPECFICO Y
GRAVEDAD ESPECFICA DE GASES IDEALES.Definiendo la densidad de un
gas como peso por unidad de volumen y el volumen especfico como
volumen por unidad de peso, estas cantidades pueden obtenerse de la
Ec. (26).Densidad, (27)Volumen especfico, (28)La densidad relativa
se define como la razn de la densidad del gas a la densidad de una
sustancia base, a las mismas condiciones de presin y temperatura.
Para el caso de gases, se toma aire como la sustancia base,
(29)reemplazando la ecuacin (27) para el gas y aire, a las mismas
condiciones de P y T, (30)Ejemplo: Calcular la densidad, volumen
especfico y la densidad relativa de metano a 0 lpcm (14.7 lpca) y
60 F. Debe tenerse en cuenta que el valor de ? es independiente de
las condiciones de presin y temperatura.lquido, se determina la
densidad a estas condiciones, ?cn. Con este valor se determina EMR
de la fig. 7. Si se conoce la composicin del sistema, se calcula su
peso molecular promedio molar, Ec. (37) y se determina EMR de la
Ec. (90).b) Se determina Pc y Tc del sistema, por el mtodo indicado
al describir el mtodo 2 para la determinacin de Z.c) Se determina
el ndice de Refraccin Molecular adicional de Eykman, ?E = (n2 1)/(n
+ 0.4) (ver Ec. (89), de la Fig, 14.d) Se calcula Pr y Tr.e) Se
determina ?L/?E de la Fig. 15, de donde se determina ?L.Ejemplo:
Determinar la densidad del sistema de hidrocarburos a 4000 lpca y
160 F, cuya composicin aparece en las Cols. (1) y (2) de la Tabla
XI.Solucin.- De la tabla XI, M = 85.1952. Aplicando la Ec. (90).EMR
= 2.4079 + 0.7293 x 85.1952 + 32.68 x 10-6 x (85.1952)2 = 2.4079 +
62.9848 + 0.2372 = 65.63Grupo I(1) (2) (3) (4) (5) (6)Comp. Xi
Xi*(2)/?(2) EMRTabla V (x*i) (EMR)(3) x (4) (xi)(EMR)(2) x (4)C1
0.3317 1.0000 13.984 13.984 4.6385Grupo IIC2 0.0694 0.1038 23.913
2.4822 1.6596C3 0.0785 0.1175 34.316 4.0321 2.6938iC4 0.0053 0.0079
44.741 0.3535 0.2371nC4 0.0051 0.0076 44.243 0.3362 0.2256iC5
0.0062 0.0093 55.302 0.5143 0.3429nC5 0.0601 0.0899 55.267 4.9685
3.3215C6 0.0419 0.0627 65.575 4.1116 2.7476C7+ 0.4018 0.6013
129.036? 77.5893 51.84670.6683 1.000 94.3877 67.7133? De la Ec.
(90), para un valor de M = 172.3EMR1 = 13.984 ? Fig. 10 o Ec. (94):
(Tc/Pc)1 = 0.517EMR2 = 94.3877 ? Fig. 10 o Ec. (95): (Tc/Pc)2 =
3.147Aplicando la Ec. (98),Tc/Pc = 0.3317 x 0.517 + 0.6683 x 3.147
= 2.2746Aplicando la Ec. (99)ERMm = 67.7133 ? Fig. 9 o Ec. (93):
Tc/ Con los valores de Tc/pc = 2.2746 y Tc/ , se determina, Tc =
887.25 R y Pc = 390.07 lpca. Por tanto, Pr = 4000/390.07 = 10.25;
Tr = 620/887.25 = 0.7De la Fig. 14 (160F = 71.1C y EMR = 67.7133):
?E = 0.475De la fig. 15: ?L/?E = 1.41; por tanto, ?L = 1.41 x 0.475
= 0.667 gr/c.cu. = 41.62 lb/p.cu. a 4000 lpca y 160 F. Fig. 14
Correlacin del ndice de refraccin molecular adimensional de Eykman,
?E y temperatura, C (27) Fig. 15 Correlacin de ?L/?E y Pr Y Tr
(27)4.2 Mtodo grfico de la GPSA (34). La Fig. 16 presenta un mtodo
de determinar la densidad de hidrocarburos parafnicos normales a
cualquier temperatura y presin en funcin del peso molecular. Por
medio del peso molecular se determina la densidad a la temperatura
deseada y a travs de las curvas en la parte derecha inferior, se
corrige por presin. La correccin se suma a la densidad a presin
atmosfrica y temperatura dada. Para el ejemplo anterior, con M =
85.1952 (tabla XI) y Fig. 16,?L (160 F, pa) = 0.611?L (160 F, 4000
lpca) = 0.611 + 0.031 = 0.642 gr/c.cu. = 40.06 lbs/p.cu. Fig. 16
Densidad de lquidos parafnicos normales en funcin del peso
molecular (34).Cuando no se haya empleado y el peso molecular para
determinar la densidad, la Fig. 16 tambin puede emplearse para
efectuar correcciones por presin y temperatura. Por ejemplo, se
conoce la densidad a 60 F y presin atmosfrica y se desea la
densidad a cualquier otra temperatura y presin. Con el valor a 60 F
y presin atmosfrica, se entra a la ordenada derecha y se determina
la correccin por presin, la que se agrega al valor inicial. Con el
valor resultante se entra a la ordenada izquierda, se va
horizontalmente a la curva de 60 F y luego verticalmente a la
temperatura deseada.Ejemplo.- La densidad de un sistema a 60 F y
14.7 lpca es 34.32 lbs/p.cu. Determinar la densidad a 2000 lpca y
160 F.Solucin.- ? (60 F y 14.7) = 34.32/62.4 = 0.55 grs/c.cu.Fig.
16 (ordenada derecha): correccin por presin: 0.028, por tanto, ?
(60 F, 2000) = 0.55 + 0.028 = 0.578Fig. 16 (ordenada izquierda),?
(160 F, 2000) = 0.501 grs/c.cu = 31.26 lbs/p.cu.7La Fig. 16-12 del
GPSA (1) presenta la densidad en funcin de temperatura y presin
atmosfrica, para una serie de hidrocarburos definidos.4.3 Mtodo de
Standing-Katz (9, 33, 35).- Standing y Katz (35), consideraron una
serie de sistemas compuestos por metano, etano y otros componentes,
los llevaron a determinadas condiciones de presin y temperatura,
midieron su densidad y luego asumiendo que el propano y compuestos
ms pesados siguen la ley de Amagat, Ec. (35), de volmenes aditivos,
desarrollarn una correlacin de la densidad aparente del metano y
etano con la densidad del sistema a 60 F y presin atmosfrica. Las
densidades del metano y etano, dependen de la composicin de las
fracciones ms pesadas del lquido.Standing (33) correlacion la
densidad del sistema que contiene metano y etano, a 60 F y presin
atmosfrica (denominada densidad seudo lquida del sistema), con la
densidad de la fraccin de propano y compuestos ms pesados, el
porcentaje por peso de etano en el sistema de etanos en adelante y
el porcentaje por peso en el sistema total. Tal correlacin se
presenta en la Fig. 17. El valor de la densidad seudo lquida,
representa la densidad que tendra el sistema, a 60 F y 14.7 lpca,
si todo el metano y etano permaneciera en solucin.Cuando se trata
de determinar la densidad lquida de un sistema cuya composicin se
conoce, las siguientes ecuaciones permiten el uso de la Fig. 17:1.
Densidad del sistema de propanos y compuestos ms pesados, (118)2.
Porcentaje por peso de etano en el sistema de etanos y compuestos
ms pesados, (119)3. Porcentaje por peso de metano en el sistema
total, (120)donde, xi, Mi y ?li son la fraccin molar, el peso
molecular y la densidad lquida del componente i del sistema. El
valor de ?li se obtiene de Tablas (1) y debe estar dado en gr/c.cu.
Si ?li se expresa en lb/p.cu., se elimina el 62.4 de la Ec.
(118).Si se trata de determinar la densidad de un sistema compuesto
de gas y petrleo, mezclados en determinada proporcin, Rs PCN de gas
por 1 BN de petrleo, las Ec. (118), (119) y (120) cambian en la
siguiente 1.1 a) A partir de la lista de elementos de la 1.4,
determinar lo pesosmoleculares de los seis primeros compuestos de
la serie de hidrocarburosparafnicos: metano, CH4; etano, C2H6;
propano, C3H8; butano, C4H10;pentano, C5H12; y hexano, C6H14.b) Cul
es el peso molecular de acetileno cuya frmula es C2H2?a)CH4
metano12.010*1 1.008*4 16.042C2H6 etano12.010*2 1.008*6 30.068C3H8
propano12.010*3 1.008*8 44.094C4H10 butano12.010*4 1.008*10
58.12C5H12 pentano12.010*5 1.008*12 72.146C6H14 hexano12.010*6
1.008*14 86.172b) C2H2 acetileno12.010*2 1.008*2 26.036
