TERMODINÁNIMCA Y MÁQUINAS TÉRMICAS PARA NO ESPECIALISTAS UNIDAD 2: SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.

ºTERMODINÁNIMCA Y MÁQUINAS TÉRMICAS PARA NO ESPECIALISTAS

UNIDAD 1:  CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y DEFINICIONES

La Termodinámica se define como la ciencia de la energía. La energía es la capacidad de producir cambios. ^[1]

En el Área de Ingeniería de Petróleos, el uso y aplicación de los principios de la Termodinámica son fundamentales para el estudio del comportamiento de fluidos  (gases, líquidos) y la relación entre sus fases en respuesta a los efectos de la presión y temperatura en una de las propiedades intensivas de mucho interés: volumen específico.

Los cambios de presión y temperatura en los hidrocarburos, durante su explotación (reservorio-pozo-superficie-tanques) generan grandes pérdidas e inconvenientes en las facilidades, generando problemas al momento de cualquier desarrollo.

Para entender el comportamiento de las fases de los hidrocarburos, empezaremos con el de una sustancia simple y pura, y  las condiciones de temperatura y presión para las cuales las diferentes fases pueden existir.

La Gráfica – A, presenta las relaciones de presión y temperatura, se conoce como Diagrama de Fases e indica las condiciones bajo las cuales, se presentan las diferentes fases de una sustancia.

             [pic 1]

Gráfica – A: Diagrama de Fases para el agua.

En la gráfica se observan puntos específicos que requieren ser definidos:

• Punto Triple: La Presión y Temperatura a la cual, las tres fases coexisten en condiciones de equilibrio.
• Punto crítico:  Límite superior de la línea de presión de vapor, en este punto, la presión y temperatura se denominan: temperatura crítica y presión crítica. La temperatura crítica, es la temperatura sobre la cual el gas no puede ser licuado, sin importar la presión que se aplique. Igualmente, la presión crítica, es la presión  sobre la cual el líquido y gas no pueden coexistir, sin importar la temperatura que se aplique.^[2] 

Para el análisis de los hidrocarburos se dispone de un diagrama de fases a condiciones de reservorios, en la Gráfica – B se observa la curva respectiva:

[pic 2]

Gráfica – B: Diagrama de Fases^[3] 

 Para un mejor entendimiento se define como:

• Curva del punto de burbuja: Todos los puntos en fase líquida, en los cuales aparece la primera burbuja de gas.
• Punto de burbujeo: La presión mínima a la cual se forma la primera burbuja de gas.
• Curva del punto de rocío: Todos los puntos en fase gaseosa, en los cuales aparece la primera gota de líquido.
• Punto de rocío: La presión mínima a la cual se forma la primera gota de líquido.
• Punto crítico: Punto común de las curvas de rocío y de burbuja.
• Punto cricondembárico: Presión máxima en la cual coexisten en equilibrio vapor y líquido.
• Punto cricondentérmico: Temperatura máxima a la cual coexisten en equilibrio vapor y líquido.

De acuerdo al tipo de yacimiento, es decir, de acuerdo a la composición (monofásico, bifásico) del fluido que contiene y su comportamiento durante la producción, se presenta:

[pic 3]

Gráfica – C: Diagrama de Fases^[4]

En la Gráfica – C, se observa el comportamiento del fluido de acuerdo al tipo de yacimiento, es decir:

1. Yacimientos de Gas: Seco, Húmedo, Condensado
2. Yacimientos de Petróleo: Volátil, petróleo negro.

Para cada tipo de yacimiento se ha determinado un diagrama de fase característico en base a la presión y temperatura inicial que se encuentra el yacimiento.

El presente enfoque se centra en los yacimientos de gas natural, es decir, yacimientos con presencia de un único fluido (gas) en reservorio, la temperatura del yacimiento es mayor a la temperatura cricondentérmica con una composición de metano mayor al 90%. La Gráfica – D presenta el Diagrama de Fases para un Yacimiento de Gas Seco:

[pic 4]

Gráfica – D: Diagrama de Fases, Yacimiento de Gas Seco^[5]

Como se observa, a cualquier presión que se someta, no hay presencia de líquido, es decir, desde su extracción hasta la producción del gas, la trayectoria  A-B seguida en el Diagrama de Fases se mantiene fuera de la envolvente, manteniéndose siempre su fase gaseosa.

En la Gráfica – E, se observa el Diagrama de Fases para un Yacimiento de Gas Húmedo:

[pic 5]

Gráfica – E: Diagrama de Fases, Yacimiento de Gas Húmedo^[6]

La trayectoria A-B seguida en el reservorio mantienen la fase de gas, mientras la producción continúa y la presión y temperatura disminuye, el gas entra en una región de dos fases, la fase líquida se condensa del gas y se produce en los separadores en la superficie.

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