Figura 1.2 Instalación de tres etapas de separación, dos separadores y un tanque de almacenamiento.

1. ANTECEDENTES

Los fluidos del pozo son una mezcla compleja de hidrocarburos (C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, C6, C7+) y gases contaminantes (CO2, N2, H2S), así como algunas impurezas (agua libre, vapor de agua, mercaptanos y sólidos). En la figura 1.1 se presenta el esquema simple de un sistema de producción de petróleo, donde se puede observar como el crudo fluye del yacimiento hacia la superficie a través de la tubería de producción para posteriormente ser separado y almacenado.

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Figura  1.1 Esquema simple de un sistema de producción de petróleo.

Generalmente al llevar el crudo de las condiciones del pozo a condiciones de almacenamiento para separar los fluidos producidos, este sufre una gran caída de presión provocando la vaporización de sus componentes más ligeros. Es conveniente llevar a cabo esta reducción de presión en varias etapas (figura 1.2); esto permite controlar la separación de los componentes volátiles, minimizando el escape de aquellos de mayor interés (gasolinas). Se han realizado trabajos en los cuales se muestra que al aumentar el número de etapas de separación, se incrementa la cantidad de crudo estabilizado.

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Figura 1.2 Instalación de tres etapas de separación, dos separadores y un tanque de almacenamiento.

El equipo usado para retirar el crudo vaporizado debido a los cambios de presión es conocido como separador gas-crudo. Los parámetros más importantes en el diseño de este tipo de equipos son la composición de la corriente del pozo, la presión, la temperatura y el flujo.

Una variable clave en el proceso de separación es la presión de operación. Una válvula de control sobre la línea de gas mantiene una presión estable en el separador.

Para controlar el nivel de crudo en el equipo usualmente se cuenta con un controlador de nivel de líquido que activa una válvula a la salida del crudo. En la figura 1.3 se muestra el esquema típico de un equipo de separación vertical gas-líquido.

En el proceso de separación la válvula de estrangulamiento situada en la línea de alimentación al separador provoca una caída de presión que induce la vaporización de los componentes ligeros de la mezcla. La temperatura, los flujos y composiciones de las fases que la línea descarga en el separador son función de la presión de este y se obtienen de la solución simultánea de los balances de materia y energía y el equilibrio

líquido-vapor entre fases. Posteriormente las corrientes que entran al separador se mezclan con las fases líquida y vapor retenidas en el mismo.

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Figura 1.3 Esquema del equipo de separación gas-líquido.

Desde hace varios años, la separación de hidrocarburos ha sido un tema de gran interés, por lo que hay disponible una amplia variedad de trabajos que describen el proceso y los factores que intervienen en el, así como su importancia para maximizar la producción de hidrocarburos líquidos

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Predecir el comportamiento de las variables involucradas en el proceso de separación gas-crudo es de suma importancia e interés en la industria petrolera, ya que permite mejorar la operación y control del mismo. Esta predicción se puede llevar a cabo mediante la aplicación de un conjunto de metodologías técnicas, donde los temas esenciales son: el cálculo del equilibrio líquido-vapor, la determinación de entalpías y la solución simultánea de los balances de materia y energía involucrados.

Los análisis PVT consisten en una serie de pruebas realizadas a muestras representativas de los fluidos presentes en el yacimiento o en superficie permiten evaluar la precisión de las ecuaciones de estado, cuando estas son empleadas para predecir el comportamiento de fases de los fluidos presentes en los pozos petroleros. Las aproximaciones obtenidas con estas ecuaciones pueden mejorarse afinando o ajustando estas con algunos datos experimentales medidos.

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

En esta sección se definen los conceptos y relaciones de la termodinámica que sirven como base a los procedimientos técnicos existentes, y que son necesarios para poder comprender los fenómenos que ocurren en el proceso de separación gas-crudo.

El equilibrio termodinámico líquido-vapor de una mezcla de hidrocarburos requiere la igualdad de las fugacidades de los componentes en las fases líquida y vapor. Para el cálculo del equilibrio de mezclas de hidrocarburos se emplean ecuaciones de estado que relacionan las variables PVT (presión, volumen, temperatura) y permiten estimar las propiedades termodinámicas de las fases. Para realizar los balances de energía en un proceso, es necesario evaluar la entalpía de cada una de las corrientes involucradas a las condiciones de presión y temperaturas a la que se encuentran, corrigiendo la desviación de la entalpía del fluido de interés con la del gas ideal.

2.1 FUGACIDAD Y EQUILIBRIO DE FASES

Al ocurrir una transición o cambio de fase, las funciones termodinámicas extensivas cambian bruscamente. Así el volumen específico o molar del líquido saturado es muy diferente del correspondiente al vapor saturado a las mismas temperatura (T) y presión (P). De una transición de fase resultan también cambios discretos de energía interna, entalpía y entropía. La excepción es la Energía libre de Gibbs (G), que no cambia durante la fusión, vaporización o sublimación que suceda a T y P constantes.

Así, para las dos fases coexistentes α y β de una sustancia pura debemos tener,      Para que se mantenga el equilibrio entre las dos fases, entonces los cambios están dados por:[pic 4]

        [pic 5]

La energía libre de Gibbs es una propiedad de particular importancia en termodinámica química, por su relación única con la temperatura y la presión a través de la ecuación básica:

        (2)[pic 6]

Aplicada a 1 mol del fluido puro i a T constante, la ecuación se transforma en:

        (3)[pic 7]

Para un gas ideal                                (4)[pic 8]

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