METODOS PARA DETERMINAR EL FACTOR DE LA COMPRESIBILIDAD

METODOS PARA DETERMINAR EL FACTOR DE LA COMPRESIBILIDAD

Este factor se establece como una relación entre el volumen del gas real y el volumen de gas ideal y se emplea para corregir las desviaciones de la idealidad. Esta información muestra claramente el uso aceptado, a nivel nacional, del método AGANX 19 para ciertas condiciones de relativo bajo consumo y el uso de AGA 8 para cualquier condición.

El método NX -19 es un algoritmo de cálculo de compresibilidad de gas desarrollado por Zimmerman y normalizado por AGA en la década del 60. En 1980 el Gas Research Institute GRI inició un estudio teórico-experimental que tenía como objeto mejorar la capacidad de cálculo del factor de compresibilidad en ese momento brindada por NX-19. Este estudio proporcionó las bases para establecer un método de mayor exactitud, el cual fue publicado en 1985 por AGA en el reporte No. 8 (actualizado en 1992) como reemplazo del método NX-19. En este reporte se establecen tres métodos de cálculo: AGA 8 detallado (método con menor incertidumbre), AGA 8 GROSS 1 y AGA 8 GROSS2.

En este sentido, el método apropiado para el cálculo del factor de compresibilidad está dado por varios factores entre ellos las contradiciones de operación del sistema de medición y la composición del gas. Cada método en particular tiene variables de entrada que deberán ser ingresadas por el operario al computador de flujo o el electrocorrector, y en gran parte, la exactitud de los resultados depende de éstas.

Ahora bien, estudios realizados sobre los diferentes métodos utilizados para al cálculo de la compresibilidad del gas natural, muestran las diferencias que se presentan entre resultados experimentales y los métodos de cálculo disponibles por AGA. En estos estudios se evidencian desviaciones máximas cercanas a: 0,15% para AGA 8 detallado, 0,32% para los métodos AGA 8 Gross (1 y 2), y 2,1% para NX-19. Es importante aclarar que estos resultados fueron obtenidos a diferentes presiones de operación.

De acuerdo al panorama nacional y a los resultados observados en los estudios previamente mencionados, es probable que el uso del método compresibilidad NX-19, esté generando desviaciones considerables que impactan las mediciones de volumen y los balances en las redes de transporte y distribución de gas. De acuerdo a estas desviaciones, se puede concluir que:

• Existe una desviación del método NX-19 con respecto al AGA 8 detallado mayor a 0,1% para presiones por encima de 50 psig cuando la composición es similar al gas denominado Cusiana. Para el caso de los métodos AGA 8 Gross 1 y 2 VS AGA

8 detallado, las desviaciones son menores a 0,025%. Es posible considerar que desviaciones por debajo de 0,1% no son significativas, debido a que el AGA 8 establece una incertidumbre asociada del método de compresibilidad detallado de

0,1%. Por lo tanto no se recomienda el uso del método NX-19 para composiciones similares a gas Cusiana y presiones por encima de 50 psig.

• Para gas natural con composición similar a gas Guajira (%CH4:98), las desviaciones que se obtienen con el método NX-19 son similares a las obtenidas con los métodos Gross 1 y 2 (inferiores a ±0,01%), por lo tanto para cualquier presión inferior a 100 psig, es posible el uso de NX-19 como método de cálculo del factor de compresibilidad.

• Es recomendable, antes de configurar el uso del método NX-19 en el computador o corrector de flujo, que se verifiquen las condiciones de operación y la composición típica del gas, para garantizar que las desviaciones no sean mayores a 0,1% con respecto al método AGA 8 detallado.

Para realizar tal análisis se recomienda hacer pruebas similares a la ya descrita mediante una herramienta validada. Debido a su simplicidad y poca desviación en los resultados, es posible el uso de AGA8 Gross 1 o 2, para el cálculo de compresibilidad de gas natural, siempre que la temperatura permanezca en el rango de 32°F a 130°F y la presión de operación hasta 1200 psia. En cualquier otro caso debe usarse AGA8 método detallado.

De allí, que el método de factor de compresibilidad, ayuda a determinar la presión de las condiciones atmosféricas; por ello se debe introducir la presión de estado ideal para asi evaluar el comportamiento del estado ideal del gas. En este sentido Z, es un factor de corrección que se introduce en la ecuación de los gases, a fin de determinar el número de moles de un gas a una presión. Por ello, el factor de compresibilidad Z, define el grado de desviación del gas natural, de allí que juegue un factor importante en los procesos de transporte de gasoductos, así como en las mediciones del gas.

TEOREMA DE ESTADO DEL GAS

El teorema de los estados correspondientes fue un intento de estudiar las propiedades termodinámicas en una forma generalizada. Fue planteado por Van der Waals, quién lo formuló en su versión de dos parámetros: "Dos gases que se encuentren a su misma temperatura y presión reducidas, se encontrarán en estados correspondientes". A partir de allí, se empezó a buscar la forma de expresar las propiedades termodinámicas en forma reducida, utilizando parámetros a dimensionales. Una propiedad reducida es la relación entre el valor de una propiedad a un estado definido y su valor crítico.

La principal ventaja de estas propiedades se ejemplifica de la siguiente manera: Imagine por un momento un manual que tuviera, por ejemplo, el respectivo diagrama PVT de cada sustancia pura. Aún restringiendo el conjunto a sólo las sustancias de mayor interés (Gases monoatómicos, diatómicos, hidrocarburos, aromáticos, derivados nitrogenados, refrigerantes), la lista sería unas cuantas cientas. Sería muy tedioso tener que buscar los datos de esa forma, pero mucho más aún (definitivamente) realizar todos los experimentos necesarios para el estudio completo de cada sustancia, considerando las limitaciones técnicas y económicas inherentes. ¿Y si alguien propusiera una forma de resumir toda esa información en una sola gráfica? Básicamente, eso fue lo que hicieron durante la década de 1950 los investigadores Nelson y Obert. Aplicando el teorema propuesto un siglo atrás por Van der Waals, hicieron un estudio de las propiedades volumétricas de hidrocarburos y algunos gases no polares, y al representarlo en forma reducida, encontraron una tendencia global, que llevaron a la gráfica comúnmente conocida como "Carta de Compresibilidad Generalizada".

Posteriormente, Pitzer y colaboradores encontraron que podía mejorarse aún más este tipo de correlaciones, si se incluía un tercer parámetro: el factor acéntrico, w, que mide la desviación de la forma de una molécula, con respecto al carácter perfectamente esférico de los gases nobles (He, Ar, Ne, Xe, Kr). Este parámetro contribuyó a que pudieran desarrollarse las ecuaciones de Peng-Robinson y Soave-Riedlich-Kwong, así como mejorar las correlaciones viriales reducidas, utilizadas para el cálculo de propiedades residuales.

En la actualidad, existen muchas correlaciones gráficas de ese tipo, para calcular otras propiedades, las cuales se mencionarán a continuación junto con sus aplicaciones a procesos industriales.

*Propiedades Volumétricas: Las correlaciones más conocidas son Nelson-Obert, para hidrocarburos en fase gaseosa, y la de Lydersen-Greenkorn-Hougen, para líquidos.

Nelson y Obert graficaron el factor de compresibilidad Z, definido como Z=Vreal/Videal, en función de la presión reducida, Pr=P/Pc, para diferentes isotermas (Tr=T/Tc). Esta correlación es una forma muy sencilla, rápida y precisa para calcular la densidad de diferentes tipos de gas natural, incluso a condiciones extremas de 3000 psi, siempre y cuando el contenido de H2S sea menor al 2 %. Tiene aplicaciones para cálculos típicos en la industria de gas natural, como flujo volumétrico a través de un ducto; diseño de separadores gas/crudo; diseño de contenedores de gas a alta presión, entre otros.

Lydersen-Greenkorn-Hougen definen la densidad reducida como: densidad/densidad crítica, y la graficaron contra la presión reducida, a diferentes temperaturas reducidas. Esta gráfica permite obtener datos muy precisos de la densidad de un líquido a condiciones determinadas, y su exactitud puede mejorarse aún más si se cuenta con un dato experimental a condiciones conocidas.

*Propiedades Termodinámicas: Existen correlaciones generalizadas para la fugacidad, entalpía, energía libre de Gibbs y entropía. La fugacidad es de importancia vital para los cálculos de procesos donde exista equilibrio líquido-vapor de mezclas, como es el caso de la destilación.

La entalpía es una propiedad termodinámica requerida frecuentemente en los balances de energía de procesos que ocurren en flujo estable (o régimen permanente). Aplicando un balance adecuado, usted podría determinar la potencia que requiere un compresor para enviar gas natural a unas condiciones de presión y temperatura determinada, por tan sólo citar un ejemplo. El cálculo del calor de liberado durante una reacción química es fundamental para el control de procesos químicos. Aplicando una correlación para la entalpía, podría determinar el calor producido por la combustión de metano a condiciones de operación reales.

La entropía es una propiedad termodinámica relacionada con el grado de desorden, la irreversibilidad de procesos y la eficiencia. Por lo tanto, es muy utilizada para determinar la eficiencia de turbinas, bombas y compresores.

La energía de Gibbs es importante para los procesos en equilibrio (de fases; químico; electroquímico; etc) así como para determinar si un proceso ocurrirá espontáneamente o no. ¿Cómo

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