sistema agua hidrocarburos3

7/25/2019 Sistema Agua Hidrocarburos3

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SISTEMAS AGUA HIDROCARBUROS

1. OBJETIVOS

2. INTRODUCCIN

3. SOLUBILIDAD DE LOS HIDROCARBUROS EN AGUA

4. HIDRATOS DE GAS

5. CONTENIDO DE AGUA EN GASES

6. CLCULO DE CONTENIDO DE AGUA

7. MTODOS DE PREDICCIN DE FORMACIN DE HIDRATOS

8. PREVENCIN PARA LA FORMACIN DE LOS HIDRATOS DE GAS.

9. BIBLIOGRAFA

1. OBJETIVOS

Reconocer la impor tancia de calcular el contenido de agua presente en los di ferentes tipos de gases

y su relacin con l a posterior formacin de hidratos.

Describir las caractersticas, las propiedades, la clasificacin y las condiciones de formacin de

hidratos.

Identificar los p rincipales procedimientos de prediccin de hid ratos con el fin de prever la afeccin

del sistema y buscar una pronta solucin al problema asociado.

2. INTRODUCCION:


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CONTENIDO DE AGUA EN LOS GASES

El gas natural, tal como se extrae de los pozos, viene cargado

de agua, la cual suele estar presente en estado gaseoso junto

con los otros componentes que integran la mezcla dehidrocarburos.

Los cambios de presin y temperatura que experimenta el

fluido hacen que el agua se deposite en forma lquida en las

tuberas que se utilizan para transportarlo

GAS SATURADO.- El que est cargado de agua como el aire que tenemos dentro de la boca. Si no estuviera

saturado la parte interna de la boca se resquebrajara produciendo cortaduras y dolor. Al descender ligeramente la

temperatura, se condensa.

MECANISMOS PARA ELIMINAR EL AGUA DEL GAS.-El gas se deshidrata, es decir se le extrae el agua De esa

manera el fluido estar acondicionado para trabajar a temperaturas por encima de 0 C sin que se produzca

condensacin de agua que, a su vez, ocasionar serios problemas al transportar el gas natural.

DESHIDRATACIN DE GAS.-El gas natural, como est producido, contiene normalmente vapor de agua.

El agua deber ser removida a un punto tpico de un contenido de 7 libras/MMPC para la mayora de los

sistemas de transmisin de gas, hacia un tan bajo como el parcial ppm de agua y puntos de condensacin

al menos de -150F de un tratamiento aguas arriba de equipos criognicos. El retiro del agua, o

deshidratacin, se realiza para prevenir la formacin de hidrato ( y como congelacin potencial) o corrosin

en la recoleccin de gas, sistema de transmisin o planta de tratamiento.

Hay varias opciones de proceso que pueden ser utilizadas para llevar a cabo la deshidratacin. KOCKEN

ofrece una variedad de estos procesos que consisten en los cinco bsicos abajo:
http://www.google.com.bo/imgres?imgurl=http://i.ytimg.com/vi/NZtrvF1s2Qw/0.jpg&imgrefurl=http://article.wn.com/view/2011/03/01/Peso_firms_up_as_Saudi_vows_to_produce_more_oil/&usg=__sj9Wm1DFn__6xg_8zZCFNaTzO5w=&h=360&w=480&sz=8&hl=es-419&start=5&zoom=1&tbnid=CmXD3c56vH26vM:&tbnh=97&tbnw=129&ei=Vi9NUNu9Koyv0AHb34DwBA&prev=/search?q=agua+en+los+hidrocarburos&hl=es-419&sa=X&tbm=isch&prmd=imvns&itbs=1


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Compresin a una presin superior con enfriamiento subsecuente y separacin de las fases.

Mientras ms alta sea la presin, menor ser el contenido de vapor de agua saturado en lb/MMPC a una

temperatura dada.

Enfriamiento debajo del punto de condensacin inicial

Absorcin con desecantes lquidos ( como glicol )Adsorcin con desecantes slidos ( como tamiz molecular )

Absorcin con delicuescentes slidos ( como cloruro de calcio )

KOCKEN considera alguno y todas las combinaciones de los procesos de tecnologa disponibles basados en una

combinacin de factores incluso:

Especificacin del contenido de agua mxima

Contenido de agua inicial

Caractersticas del proceso

Disposicin de la operacin

Factores econmicos

COMPRESIN Y ENFRIAMIENTO CON SEPARACINes una parte tpica del sistema de produccin /

recoleccin de gas/y arreglos del proceso. Se aplica normalmente para una secante adicional de gas

natural. Sin embargo, en algunos casos, este simple acercamiento puede ser suficiente para uso de campo

de los sistemas de elevacin de gas.

ENFRIAR DEBAJO DEL PUNTO DE CONDESACIN INICIAL. Mientras ms baja la temperatura, menor

ser el contenido de vapor de agua saturada en del gas. Este mtodo requiere usualmente algunos medios

de prevencin de hidrato y es aplicado como Separacin de Temperatura Baja. El glicol-etileno es

usualmente utilizado para la temperatura ms baja del LTS para la prevencin de hidratos y la

deshidratacin simultnea del gas. Esta aproximacin es combinada frecuentemente con inyecciones

directas de glicol en la parte delantera de las plantas de refrigeracin o plantas de absorcin de escaso

aceite. Tambin han sido combinadas nuevas tecnologas de expansin con inyeccin directa para lograr la

deshidratacin.

ABSORCIN DE AGUA CON UN DESECANTE LQUIDO. ste usa usualmente uno de los glicoles, con

contacto del gas y desecante en una columna de absorcin a temperatura ambiente. Tambin se aplica en

combinacin con el enfriado, a temperaturas ambiente ms bajas. Es el proceso ms aplicado, usado

extensivamente en operaciones de produccin y en varias refineras y en plantas de operacin qumica.


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ADSORCIN DEL AGUA CON UN DESECANTE SOLIDO. Los tamizes moleculares han encontrado una

amplia aceptacin en la industria de proceso de gas para la alimentacin de plantas criognicas de

aplicaciones de condicionamiento y algunas aplicaciones de gas agrio con formulas de ataduras resistentes

especiales al cido.

LOS SISTEMAS DELICUESCENTESpueden ser atractivos para volmenes ms pequeos, tal como un

sistema de produccin insolado o un combustible de gas. Los disecados delicuescentes estn hechos de

varias mezclas de sales de halogenuro alcalino por ejemplo: cloruro de calcio, y son naturalmente

higroscpicos.

PELIGROS REPRESENTA LA PRESENCIA DE AGUA EN EL GAS.-Cuando el gas natural contiene agua

que, a su vez, se condensa dentro de las tuberas y otros recipientes, puede generar problemas que

pudieran llegar a ser graves. A continuacin mencionaremos algunos de ellos.

FORMACIN DE HIDRATOS. Son sustancias slidas en forma de cristales de color blanco formadas cuando el

agua lquida y algunos hidrocarburos ligeros, principalmente C1 (metano), C2 (etano), C3 (propano), se combinan

fsicamente bajo ciertas condiciones de presin y temperatura.

Cuando se forman dentro de las tuberas taponan el gasoducto e impiden que el gas pueda circular. Entonces, es

necesario calentar los tubos o agregarles substancias capaces de destruir estos bloques para que se reinicie la

circulacin

CONDICIONES DE FORMACIN DE HIDRATOS DE GAS NATURAL.-Para ello se utiliza metanol o

monoetilnglicol, con los cuales se baja el punto de roco y se impide la formacin de los hidratos.

Altas presiones y bajas temperaturas favorecen la formacin de hidratos de gas naturalpudindose

formar an a temperaturas superiores a la del congelamiento del agua.


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Presencia de agua lquida, por tal motivo el contenido de agua en un gas natural debe ser disminuido a

valores tales que en ningn lugar del sistema se alcance el punto de roco especialmente con gases que

contengan CO2 H2S que formarn acdo con agua condensada.

Medios de agitacindel agua y gas.

La turbulencia, alta velocidad de flujo, presin pulsante, agitacin, inducen la formacin de los primeroscristales de hidrato y una vez que esto ocurre el fenmeno de cristalizacin se hace ms rpido.

La temperatura a la cual comenzar la formacin de hidratosse obtiene de grficos construidos en base

a datos experimentales para una presin especificada y un gas cuya densidad conocemos.

Latemperatura de formacin de hidratosser mayor a medida que aumente la densidad del gas.

Una vez formado el hidrato no queda alternativa que disminuir la presin para producir su disolucin

ocasionando la prdida de gas que es venteado a la atmsfera.

La desaparicin de hidratos puede demorar y ser difcil de alcanzar. Cristales macroscpicos permanecen

por grandes periodos luego que los hidratos han desaparecido.

PREVENCIN CONTRA LA FORMACIN DE HIDRATOS DE GAS NATURAL

Mnimo contenido de agua.

Calentamiento de la corriente fra proveniente del pozo.

Inyeccin de depresores del punto de congelacin: Metanol, etileno glycol (EG), dietilenglicol (DEG),

trietilenglicol (TEG), tetraenglicol (T4EG).


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OBSTRUCCIN DE LA TUBERA. Obviamente, cuando se forman estos taponamientos, anteriormente

explicados, la red de tuberas se tapona y el servicio se interrumpe.

PELIGROS DE EXPLOSIN. Si un bache de agua que se haya formado en la tubera entra a una caldera,

habr una explosin. La magnitud depende de la cantidad de lquidos que lleguen y de la temperatura queencuentren. El agua, al evaporarse aumenta 1.700 veces su volumen. Los hidrocarburos, que

obviamente tambin se pueden condensar, aumentan en menor grado dependiendo de la composicin que

tengan. .este tipo de fenmenos producidos llegan a contaminar el medio ambiente

FORMACIN DE CIDOS. Cuando hay presencia de CO2 y H2S, conjuntamente con agua libre, se

formarn cidos que corroen las tuberas y el resto de los componentes metlicos del sistema.

MEDIDOR DE AGUA EN EL GAS NATURAL.-Para medir el contenido de agua que transporta el gas

natural se utiliza el medidor de punto de roco, un aparatico capaz de medir la temperatura a la cual se

condensar fluidos a partir del gas natural. El operador deber aprender a diferenciar cundo se condensa

agua o hidrocarburos y, debe estar en condiciones de garantizar de cul de los lquidos se trata.

3. SOLUBILIDAD DEL AGUA EN LA FASE DE HIDROCARBUROS

Solubilidad

Los alcanos son casi insolubles en agua, y estasolubilidaddisminuye a medida que aumenta el peso molecular, as

tenemos que el mas soluble de todos es el metano, con una solubilidad equivalente a la delnitrgeno,0.00002 g/mla 25 C. Ya la parafina domstica (C=26 hasta C=30) no es ni humedecida por el agua.

La solubilidad en solventes orgnicos es alta, en especial otros hidrocarburos muchos de los cuales son miscibles

entre si en cualquier proporcin.
http://www.sabelotodo.org/quimica/solubilidad.htmlhttp://www.sabelotodo.org/quimica/solubilidad.htmlhttp://www.sabelotodo.org/elementosquimicos/nitrogeno.htmlhttp://www.sabelotodo.org/elementosquimicos/nitrogeno.htmlhttp://www.sabelotodo.org/quimica/solubilidad.html


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En la solubilidad, el carcter polar o apolar de la sustancia influye mucho, ya que, debido a estos la sustancia ser

ms o menos soluble, por ejemplo: Los compuestos con ms de un grupo funcional presentan gran polaridad por lo

que no son solubles en ter etlico

Los hidrocarburos no son tan solubles en agua por el tipo de enlace que comparten.Los carbonos y los hidrgenos son compuestos electronegativos, pero no demasiado. Son lo suficientemente

electronegativos como para formar enlaces covalentes entre si, es decir que comparten sus electrones sin cederlos.

Esto provoca que ambos tengan igual densidad electrnica. Ninguno tendr ms electrones (cargas negativas) que

el otro ya que su electronegatividad es bastante similar (la fuerza que ejercen para atraer a los electrones hacia si)

por lo tanto la molcula que se forma no tiene polaridad, es decir que el compuesto es no polar.

El agua es un compuesto polar ya que el oxigeno es muy electronegativo, por lo tanto atrae hacia el los electrones

del Hidrogeno, creando una zona a su alrededor de mucha carga negativa o densidad electrnica negativa, y unazona alrededor de los hidrgenos con carga positiva o densidad electrnica positiva.

Ahora bien, hay una regla en qumica que dice que los compuestos polares disuelven a los compuestos polares, y

los no polares a los no polares.

SOLUBILIDAD DEL AGUA EN EL GAS NATURAL

El agua es esencialmente insoluble en los hidrocarburos, como se ve en la figura siguiente


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Solubil idad en el agua.

Con esta caracterstica, aparte de conocer lo propenso que va a ser un contaminante en medio acuoso, tambin nos

va a dar una idea de su estabilidad, su bioacumulacin y su porcin qumica en el ambiente. La alta solubilidad al

agua de un compuesto qumico promueve su mayor movilidad, y es menos probable a ser acumulativo,bioacumulativo, voltil y persistente; un compuesto qumico altamente soluble es propenso a ser biodegradado y

metabolizado por los microorganismos. Si por el contrario es poco soluble, tiene ms probabilidad de ser

inmovilizado por va adsorcin y es menos mvil, ms bioacumulativo y persistente en los compartimentos

ambientales.

La solubilidad de los hidrocarburos vara de acuerdo a sus caractersticas qumicas y fsicas que influyen de manera

determinante en el transporte de tales compuestos hacia zonas profundas del subsuelo.

Grupo de

HidrocarburoHidrocarburo

RepresentativoSolubil idad en agua

(mgL-1)

n-Alcanos

C4 n-butano 61.4

C5 n-pentano 38.5

C6 n-hexano 13.3

C7 n-heptano 2.2

C8 n-octano 0.43

C9 n-nonano 0.12

C10-C14 n-decano 0.05

Alcanos Ramificados

C4 Isobutano 49

C5 Isopentano 48

C6 2-metilpentano 78

C7 2-metilhexano 2.54

C8 2,4-dimetilhexano 1.29

C9 2,2,4-trimetilhexano 0.53


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Los valores numricos de la solubilidad son los siguientes:

Solubi lidad baja < de 10 ppmSolubi lidad media entre 10 y 1000 ppm

Solubi lidad alta >1000 ppm

Grupo de

Hidrocarburo

Hidrocarburo

Representativo

Solubilidad en

agua (mgL-1)

Cicloalcanos

C6 Ciclohexano 55

C7 Metilciclohexano 14

C8 1,2,4-Trimetilciclopentano

C9 1,1,3-Trimetilciclohexano 1.77

Oleofinas

C4 1-buteno 222

C5 1-pentano 148

C6 1-hexano 69.7

Monoaromticos

Benceno Benceno 1,760

Tolueno Tolueno 470

Xilenos m-xilenos 172

Etil benceno Etilbenceno 140

C3-bencenos 1,3,4-trimetilbenceno 48.2

C4-bencenos 1,4-dietilbenceno 15

Fenoles

Fenol Fenol 82,00C1-fenoles o-cresol 31,000

C2-fenoles 2,4-dimetilfenol 4,600

C3-fenoles 2,4,6-trimetilfenol 14,000

C4-fenoles m-etilfenol


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E

Solubilidad

Los hidrocarburos son solubles entre s en todas las proporciones. La separacin de los componentes puede llevarse

a cabo con solventes polares, como el Dixido de azufre, furfural y otros. En stos, los aromticos se disuelven de

manera ms fcil Que los parafnicos y naftnicos. Por otro lado, los hidrocarburos de elevado peso molecular con

los de inferior peso molecular Son miscibles en cierto grado; determinando que la solucin se sature provocando la

Precipitacin del componente de mayor peso.

Comportamiento de Fases Agua Hidrocarburo

Los sistemas agua hidrocarburos se pueden representar en un diagrama binario, por la complejidad de la

representacin del agua con una mezcla de hidrocarburos, para su comprensin, se representa un diagrama Agua

Componente de Hidrocarburo puro. Estos sistemas a temperaturas por encima de 32F describen el

comportamiento complejo como se muestra en la figura.


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Solubi lidad del Gas Natural en Agua.

La solubilidad de Hidrocarburos puros y el gas natural es muy pequea inclusive a altas presiones, como se muestra

en la figura.


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El clculo de la solubilidad de hidrocarburos en agua puede ser hecha por el uso de la Ley de Henry para soluciones

diluidas.

Ley de Henry: Pi= H Xi

Donde:

H: Constante de Henry, que es slo funcin de la T, si es evaluado a bajas presiones para soluciones

diluidas.

Pi: Presin parcial.

Xi: Concentracin en la fase lquida.(solucin).

Donde el gas se comporta idealmente.


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Emulsin:

Una emulsin consiste en una mezcla de por lo menos dos lquidos inmiscibles en condiciones normales, uno de los

dos lquidos se encuentra disperso en forma de pequeas gotas dentro del otrolquido.

El lquido disperso en forma de gotas se denomina fase interna dispersa y el lquido que rodea a las gotas dispersasse denomina fase externa continua. Para la formacin de una emulsin estable se requiere de tres condiciones

mnimas, a saber:

a).- Los lquidos inmiscibles entre si.

b).- Presencia de agentes emulsificantes surfactantes.

c).- Elementos que confieran a los lquidos fuerte agitacin energa de mezclado.

El agua y el petrleo no se mezclan espontneamente, se requiere delagente

emulsificante y de la energa de mezcla necesaria para que seforme una emulsin.

Insolubilidad de los hidrocarburos con el agua:

INMISCIBLES? INSOLUBLES?

Hidrocarburos lquidosDulces: solubilidad muy baja

cidos: 2-3 veces dulce (despreciable)

Hidrocarburo gasContenido de agua incrementa con T y disminuye con P.

Los agentes emulsificantes son los responsables de la estabilizacin de la emulsin, estn presentes en:

Petrleo: Son parte de la composicin del hidrocarburo como Resinas, Asfltenos, Parafinas, cidos y sales

Naftnicas. Agua: slidos dispersos, arenas, productos de corrosin y/o de incrustacin.


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Tipos de Emulsiones

Dentro de la Industria Petrolera, en encuentran diferentes tipos deemulsiones entre el petrleo y el agua.

a.- Agua en petrleo. (W/O).

b.- Petrleo en Agua. (O/W)c.- Petrleo en Agua en Petrleo. (O/W/O).

d.- Agua en Petrleo en Agua. (W/O/W).

Factores Relacionados con la Formacin y Estabilidadde Emulsiones

Temperatura.

Salinidad del agua

Volumen y tamao de las gotas dispersas

Edad de la emulsin.

Densidad y viscosidad de la fase contina.

Tipo de agente emulsionante presente

Intensidad de agitacin.

Tratamientos de Emulsiones

Los tipos de tratamiento usados para la deshidratacin dehidrocarburos pueden ser:

Qumico. Destruir el film estabilizante con un Desmulsificante

Elctrico. Sometimiento a un campo elctrico para fomentar la coalescencia.

Trmico. Aumentar la diferencia de densidad y reducir la viscosidad

Mecnico. Ejemplo: uso de centrfugas industriales

Tratamientos Combinados: asegura un buen resultado final.


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4. HIDRATOS DE GAS.

Los hidrocarburos gaseosos y el agua lquida se combinan para formar hidratos a temperaturas prximas a 0 OC.Estos slidos se llaman Hidratos de Gas que son compuestos de dos o ms componentes su composicin esaproximadamente un 10% de hidrocarburos y un 90% de agua, flotan en el agua pero se hunden en loshidrocarburos lquidos. Este fenmeno particularmente interesa a la Industria del gas debido a que estos slidospueden formarse a temperaturas y presiones encontradas normalmente en los procesos de produccin y transportedel gas natural. Los hidratos de gas son considerados como un problema delicado para la industria, debido a queestos pueden causar graves contratiempos para el transporte del gas.

Los hidratos de gas pueden llamarse formalmente como compuestos qumicos. Sin embargo, los hidratos soncompuestos de una especie molecular originados por las fuerzas de atraccin de VAN DER WAALS entre lasmolculas. El enlace covalente no est presente en los hidratos de gas ya que durante su formacin no se formanpares de electrones de valencia y no ocurre la redistribucin espacial de la densidad en la nube de electrones. Estos

hidratos existen debido a la habilidad de las molculas de agua para formar una estructura en forma de jaula oenrejado, por medio de la unin del hidrgeno y estabilizada por las molculas pequeas de gas, no-polares. Por lainclusin del componente gaseoso, la estructura, que termodinmicamente es inestable se estabiliza.

Los hidratos de gas de inters para la industria del hidrocarburo estn compuestos de agua y de las siguientes ochomolculas:Metano (I), Etano (I), Propano (II), Iso-Butano (II), normal-Butano (II), Dixido de Carbono (I), Nitrgeno (II) y Sulfurode Hidrgeno (I).

Otros potenciales formadores de hidratos de gas en ambiente natural e industrial son: Alcanos como Neo-pentano(II), 2 Metil-butano (H), 2,2 Di-metil-butano (H), 2,2 Dimetil- pentano (H), y otros, Ciclo-alcanos como Ciclo-propano(I, II), Ciclo-butano (II), Ciclo-pentano (II), Metil-ciclo-pentano (H), Metil-ciclo-hexano e Inorgnicos como O2 (II), SO2

(I), Cl2 (I).Naturaleza de los hidratos d e gas

Compuestos cristalinos slidos

Una forma de compuestos de inclusin - Clathrates Molcula de gas atrapada en estructura cristalina formada por molculas de agua


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Estructura de los Hidratos de Gas.Un hidrato slo puede ser estable si los espacios de los enrejados son llenados suficientemente con las molculasdel gas.

Los hidratos de gas natural se descomponen con un decremento de la presin. Las investigaciones realizadas conrayos X acerca de los hidratos de gas natural indican que existen tres tipos de enrejado o configuracin Lasdiferentes cavidades que pueden formar los Hidratos de Gas en cada una de las estructuras se presentan en laFigura.

La estructura de hidrato I se forma con gases naturales quecontienen molculas ms pequeas que el propano. Con 46

molculas de agua por 8 molculas de gas, la estructura I tiene unacomposicin terica de 8X46H2O dnde X es la molcula del gas,es decir, est formado por dos cavidades pequeas y seiscavidades grandes. En la Figura 3, se muestra la cavidad mspequea de la estructura I, es una estructura cbica de cuerpo-centrado formado por un dodecaedro pentagonal, es decir, un slidode 12 caras pentagonales.


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La estructura de hidrato II se forma cuando gases naturales contienen molculas ms grandes que el etano peroms pequeas que el pentano, con 136 molculas de agua por 24 molculas de gas, tienen una composicin tericade 24X136H2O, de las 24 molculas de gas 16 entran en las cavidades pequeas de la estructura y 8 entran en lascavidades ms grandes de la estructura II, como se puede ver en la Figura 2. Si slo las cavidades grandes estnocupadas lo cual es tpico, entonces la composicin terica es 8X136H2O. La Figura 4, muestra la cavidad ms

grande de la estructura II, es un enrejado de diamante dentro de un armazn cbico, formada por 12 pentgonos y 4hexgonos.

Los hidratos del tipo Hson nicos ya que ellos se forman tpicamente en presencia de un gas liviano como elmetano y molculas ms pesadas tales como el metil-ciclo-pentano, metil-ciclo-hexano, ciclo-octano. Constan de 34molculas de agua por 6 molculas de gas, tienen una composicin terica de S3S2L.34 H2O dnde S es la cavidadformada por 12 pentgonos y de las cuales se forman 3, S es la cavidad ms pequea formada por 3 cuadrados con6 pentgonos y 3 hexgonos para formar un dodecaedro, de stas se forman 2 cavidades y por ltimo L es lacavidad ms grande formada por 12 pentgonos con 8 hexgonos de la cual se forma una cavidad por unidad. Encada una de estas cavidades slo una molcula de gas adecuada va a entrar y estabilizar a la misma.

La Figura 5, muestra la cavidad ms grande de la estructura H que se ha encontrado recientemente, formada por 12

pentgonos y 8 hexgonos.

Propiedades de los Hidratos de Gas.

A pesar de ms de 200 aos de historia de los hidratos de gas, sus propiedades han sido muy poco estudiadasdebido a la extrema complejidad de las investigaciones. Las propiedades de los hidratos de gas son determinadaspor su composicin y estructura cristalina. Actualmente ms de 100 tipos de molculas son conocidas comoformadoras de hidratos de varias estructuras.

Un estudio en profundidad de las propiedades de los hidratos y las caractersticas de su formacin y descomposicinpermite el desarrollo de nuevas tecnologas basadas en estas propiedades. El estudio de las propiedades de loshidratos fue iniciado con la llegada de las tcnicas modernas de medicin. Actualmente, los hidratos son estudiados


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a un nivel molecular usando los instrumentos y tcnicas ms avanzadas, tales como la difraccin de Rayos X,espectroscopio infrarrojo, etc.

A partir de 1950, el anlisis estructural por medio de los Rayos X revel las estructuras de los hidratos de gas(Estructura I y II). Una aplicacin adicional de este mtodo permiti la expansin de las clases de estructuras de loshidratos. El espectroscopio infrarrojo permiti determinar el nivel de las interacciones moleculares (cavidad-gas,

cavidad-cavidad y gas-gas) en los hidratos de gas. Estas interacciones, estn relacionadas a la vibracin, rotacin ymovimientos de traslacin de las molculas en los hidratos de gas.

A continuacin se presentan algunas propiedades de los hidratos de gas.

Elasticidad de los Hidratos de Gas.

La Elasticidad de los hidratos de gas depende de las condiciones de formacin, composicin y estructura de loshidratos, grado de sub enfriamiento, y tiempo de estabilizacin. A pesar de la importancia que tiene el poder conocerpropiedades de los hidratos como son la compresibilidad y otras, estas no han sido muy estudiadas. Es necesarioconocer la compresibilidad y los esfuerzos de los hidratos durante el diseo de los mtodos para la eliminacincompleta de los tapones de hidratos en pozos y gasoductos, durante la perforacin de rocas sedimentarias en zonasde formacin de hidratos, y durante la construccin y operacin de instalaciones en zonas de formacin de hidratos

de gas natural.

Densidad de los Hidratos de Gas.

Los hidratos de gas natural tienen una densidad de 0.88 a 0.90 gr./cc . Sin embargo existen mtodos para el clculode la densidad, fueron desarrollados despus del estudio de sus estructuras usando resonancia magntica.

Conociendo los parmetros de la estructura de los hidratos (a ), la relacin de llenado de las cavidades en laestructura I y II es (a1 y a2) respectivamente, y la densidad del hidrato del gas formador con peso molecular M,podemos encontrar la densidad del hidrato:

Donde:: densidad del hidrato en lb/pie3;M: Es el peso molecular del formador de hidratos en lb / lbmol;

1, 2: son las relaciones de llenado de las cavidades en las estructuras I y II, respectivamente;N: es el nmero de Avogadro (2,733 x 1026 molculas / lbmol);: es la constante de estructura de la unidad de hidratos.

Este mtodo produce buenos resultados para las presiones de equilibrio a Temperaturas de 32 F.La composicin del hidrato y el volumen especfico del agua en estado de hidrato para diferentes componentes semuestran en la Tabla 4.3. La densidad del hidrato aumenta con la presin. La densidad de los hidratos de metano yde sulfuro de hidrgeno son presentados en la Tabla 4.4 a diferentes presiones de equilibrio.


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CONDICIONES PARA LA FORMACIN DE HIDRATOS DE GAS.

Las condiciones a las cuales se promueve la formacin de hidratos son:

a)

Consideraciones primarias:

1.

El gas debe estar en su punto o por debajo de su punto de hidratacin (roco) con agua libre presente.2. Bajas temperaturas3.

Altas presiones

b)

Consideraciones secundarias:

1.

Altas velocidades2.

Presiones pulsantes (variacin pulsante de la presin)3. Algun tipo de agitacin4. Introduccin de un pequeo cristal del hidrato. Formacin de hidratos a partir de cristales ya existentes; la

siembra de cristales sirve como ncleo a la formacin de hidratos.5.

La presencia de hidrocarburos pesados. Si bien los Hidrocarburos desde el butano y superiores no forman

hidratos, pero promueven la formacin de otros hidrocarburos ms livianos y en condiciones lquidas es lams ptima. Los hidrocarburos pesados posiblemente formen hidratos por debajo de 32F.6.

Existencia de agua en el Gas7.

La presencia de dixido de carbono y H2S,por su solubilidad en Agua.

5. DETERMINACIN DEL CONTENIDO DE AGUA EN EL GAS NATURAL:

Una vez que se ha visto el comportamiento de fases de un sistema Hidrocarburo Agua, y la solubilidad del agua enlos hidrocarburos y viceversa, ahora se ver cmo determinar el contenido de agua en el gas natural, el cual es demucha importancia para los procesos que involucra el procesamiento del gas natural.

Los mtodos ms conocidos para la determinacin del contenido de agua en el gas natural en forma experimentalson los siguientes:

METODO APLICACIN OBSERVACIONES- Observacin visual del punto de

hidratacin.- Absorcin por disecantes slidos.- Absorcin y subsecuente

titracin con el regenerador. KarlFischer.

-

Congelamiento y pesado- Espectroscpico

-

Espectroscpico-

Hignmetro elctrico

-

Laboratorio y encampo

- Laboratorio

-

Laboratorio

-

Laboratorio-

Laboratorio-

Laboratorio- Campo

-

Operable a presiones bajas hasta -50F.

- Puede ser presaturado con hidrocarburos

-

Posible de ser aplicado en campo

-

Para gases con bajo punto de ebullicin-

Instrumento porttil, pero complejo-

Aplicable para sistemas propano-agua- Usado en mediciones extrastfericas

El contenido de agua en el gas es una de las caractersticas que debe conocer el ingeniero con la mayor seguridad.De ello depende la garanta de que los procesos se realicen sin mayores problemas. Los depsitos de agua en la


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tubera, laformacin de hidratos, la corrosin del tubo y dems instalaciones se minimizan cuando se deshidrata elgas hasta los niveles necesarios para evitar los problemas operativos.En ocasiones, el contenido de gases cidos introduce errores que porcentualmente pudieran ser apreciables. Esadesviacin puede ser significativa cuando se trabaja en el diseo de plantas de deshidratacin o endulzamiento.

Segn norma, la cantidad mxima permisible de agua en el gas es 7 lb/milln de pies cbicos estndar. Si el valor es

mayor se debe realizar la deshidratacin para extraer la cantidad de agua necesaria.

6. ESTIMACIN DEL CONTENIDO DE AGUA.

En la bibliografia referida al tema, existen varios mtdos para estimar el contenido de agua en el gas natural. El usode los grficos dan una buena aproximacin, cuando se trata de predecir el contenido de agua del gas natural.

El contenido de agua en un gas es funcin de su composicin, pero sobre todo es funcin de la presin ytemperatura.

Para este propsito se han desarrollado grficos para predecir el contenido de agua en un gas. Entre los grficosque ms se utilizan son de la AGA (American Gas Asosation).

METODOS GRAFICOS.Los mtodos para la prediccin son los siguientes:

METODO 1: Contenido de Agua sin considerar la presencia de CO2y H2S

W = WI* CG* CS [ ] 2H O

Lb

MMPCSD= Curvas para calcular la cantidad de agua en el gas saturado.


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METODO 2: Contenido de Agua considerando la presencia de CO2y H2S

W = Y Whc+ Y1W1 + Y2W2 [ ] 2H O

Lb

MMPCSD=

Whc= WI CGC5 con Mtodo 1

Donde: Y = 1 Y1 Y2, Fraccin del Gas NaturalY1= Fraccin molar del CO2; W1= Contenido de agua debido al CO2Y2= Fraccin molar del H2S; W2= Contenido de agua debido al H2S

Contenido de Agua por presencia de CO2 Contenido de agua por presencia de H2S

METODOS POR TABLAS Y POR CORRELACIONES SEMIEMPIRICAS.

Existen varios mtodos, entre los ms destacados se encuentran:

METODO 1.: CORRELACION DE R. BUKACEK

[ ] 2lbH OA

W BP MMPCS

= + =

Donde:A, B, se obtienen de la tabla adjunta en funcin de P, T del sistemaP= Presin del sistema, Psia


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Constantes de A y B para la Correlacin de R. Bukacek


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METODO 2: CORRELACION DE LA NORMA API. Esta correlacin es concordante con el Mtodo 1 del mtodogrfico

[ ]

0.53 38882.3205*(log ) * 12.92

( 0.0227 1)*10

PT

lbH O

W wt MMPCS

+

= + = Donde:

W = Libras de agua por milln de pies cbicos standarT = Temperatura del gas natural, RP = Presin del gas, Psiawt= % total de slidos en el gas

7. PREDICCION DE FORMACIN DE HIDRATOS DE GAS

La prediccin de hidratos es muy importante para la industria debido a que la formacin de estos causan

problemas como reduccin del dimetro y aumento de presin en las lneas que transportan mezclas multifsicas,

entre otras fallas. Por este motivo se requiere como primera medida el estudio de las propiedades que

caracterizan los hidratos para as calcular la presin y temperatura mnima a la cual se pueden formar,

obteniendo las condiciones ptimas de operacin.

Existen una serie de mtodos que se pueden usar sin necesidad de tener una computadora, estos mtodos son

conocidos como mtodos de clculos manuales porque se pueden llevar a cabo con el uso de papel y lpiz.

Los mtodos manuales son muy usados para estimar de una forma rpida las condiciones de formacin de

hidratos. Desafortunadamente, la desventaja de estos mtodos es que no son muy exactos, pero son de gran

utilidad para calcular una aproximacin de las condiciones de formacin de hidratos de una mezcla de gases.

Existen tres mtodos manuales que son los ms utilizados para poder predecir las condiciones a las cuales

empieza la formacin de hidratos

Gravedad Especifica del Gas

Alto contenido de CO2 y H2S

Composicin del Gas

A. Mtodo de Gravedad Especifica del Gas.Mtodo Data Book (AGA)

El mtodo de la gravedad especfica del gas fue desarrollado por el profesorKatz y colaboradores en los aos

cuarenta. Lo interesante de este mtodo es su simplicidad ya que involucra solamente una grfica.


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El diagrama consiste de una grfica de presin contra temperatura junto conunatercera variable que es la gravedad

especfica del gas.

Este mtodo predice preliminarmente la formacin de hidratos de Gas Natural para una presin o temperatura dada.

Esta prediccin, son las condiciones a las cuales empieza la formacin de los hidratos. Puede ser usada para las primeras aproximaciones de prediccin de formacin de hidratos.

Tambin se usa para estimar las condiciones del gas de expansin del gas, sin que exista la formacin de

hidratos.

Fig. Curvade presin-temperaturapara predecir formacinde hidratos.

Fig. Expansinmxima sinformacinde hidratos paraun gasnaturalde gravedad especifica0,6.


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EJEMPLO PRCTICO

a) Curva Presin Temperatura para la Formacin de Hidratos Gas


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b) Expansin mxima sin formacin de hidratos

B. Segn la Composicin del Gas y Bajo Contenido de CO2y H2S.

Mtodo de Katz.

El segundo mtodo es el mtodo del factor K, este mtodo se origin con Carson y Katz. Este mtodo se basa en las

condiciones de Equilibrio Gas-Slido, cuyas constantes de equilibrio fueron determinadas experimentalmente

KV-S= y/ xS

Dnde:

y = fraccin molar del gas

xS= fraccin molar en fase slidaLa constante de equilibrio KV-S, se asume que slo es funcin de la P y T del Sistema , pero en realidad, tienen una

variacin de acuerdo a la composicin del gas.Los constantes de equilibrio KV-S , fueron determinados para los

siguientes compuestos: CH4 , C2H6, C3H8 , i-C4H10 , CO2 , H2S


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Los valores de Kvsipara componentes de gas natural se presentan como una funcin de temperatura y presion. Por

ejemplo componentes como metano y nitrgeno tiene un valor de Kvsimayor que la unidad, asi que ellos se

concentran en el vapor; componentes como propano o isobutano con valores menores a la unidad se concentran en

la fase hidrato.

Para el N2e hidrocarburos ms pesados que el n-C4H10 las constantes de equilibrio son infinitos: K =para N2y

C5+ y mayores.

Estos compuestos de N2e hidrocarburos pesados en mezclas de hidrocarburos livianos no forman hidratos o forman

con mucha dificultad y no del todo.

Las condiciones para la formacin de hidratos del GN se obtienen de acuerdo a la siguiente expresin:

Las grficas estn disponibles para cada uno de los componentes comnmente encontrados en el gas natural y que

son formadores de hidratos de metano, etano, propano, i-butano, n-butano, sulfuro de hidrogeno y dixido de

carbono.

v

1

= = isii i s i

yx

K


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Ejemplo :

Calcular la presin de hidratacin de un gas que se encuentra a 50F la composicin de la mezcla

se muestra en la siguiente tabla:

Componente yi=zi P=300 psia P=400 psia P=315 Psia

Ki xsi=yi/Ki Ki xsi=yi/Ki Ki xsi=yi/Ki

C1 0.784 2.04 0.3843 1.75 0.448 2.03 0.3862

C2 0.060 0.079 0.07595 0.50 0.120 0.75 0.080

C3 0.036 0.113 0.3186 0.072 0.500 0.11 0.03276

i-C4 0.05 0.046 0.1087 0.027 0.1852 0.045 0.1111

n-C4 0.019 0.79 0.02405 0.50 0.038 0.75 0.02533

N2 0.094 0.0 0.0 0.0

CO2 0.002 3.0 0.00066 1.9 0.00105 2.9 0.0689

yi/Ki= 0.91226 yi/Ki= 1.292 yi/Ki= 0.9306

Para una temperatura de 50F, por interpolacin para yi/Ki=1 ; P=327 psia.


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C. Segn el Alto contenido de CO2 y H2S

Mtodo Baille & Wichert

Otro mtodo grafico para predecir las condiciones de formacin de hidratos fue desarrollado por

Baillie Wichert (1987). Este mtodo se basa en la gravedad especifica del gas, pero la grfica esms compleja que el mtodo de la gravedad especifica de Katz.

La grafica es para gases con gravedad especifica entre 0.6 y 1.0 Ademas la gravedad especfica,

este mtodo tiene la limitante de que permite la presencia de hidrogeno hasta 50 % mol y de

propano hasta 10 %. La grafica considera correcciones de temperatura de formacin de hidratos

por contenido de propano (C3)

La adicin de H2S a una mezcla de gas natural, genera cambios en la temperatura y presin de

formacin de hidratos


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8. PREVENCIN PARA LA FORMACIN DE LOS HIDRATOS DE GAS.

Fundamentalmente existen cuatro formas para prevenir la formacin de los hidratos de gas:

Reduciendo la presin por debajo de la presin de formacin de los hidratos para una temperatura dada

Manteniendo la temperatura del flujo de gas por encima de la temperatura de formacin de los hidratos para

una presin dada

Removiendo el agua por medio de la reduccin del punto de roco del vapor de agua en el flujo de gas por

debajo de la temperatura de operacin

Introduciendo varias sustancias qumicas (alcoholes) dentro del flujo de gas, los cuales bajan la presin de

formacin de los hidratos

TRATAMIENTO CORRECTO PARA PREVENIR LA FORMACIN DE HIDRATOS

La formacin de hidratos se eliminacin mediante reacciones qumicas y fsicas en procesos de absorcin.

CARACTERISTICAS FISICAS.-

Deshidratacin por Desecantes Slidos.

Ciertos desecantes slidos tienen caractersticas fsicas para adsorber el agua del gas natural. Los adsorbentes de

uso comercial ms comunes son los siguientes:

Gel de Slice Esferas de Slice

Almina activada

Esferas de gel de Almina

Bauxita activada

Tamices Moleculares

El equipo y los arreglos del proceso de flujo para cada uno de los adsorbentes son esencialmente los mismos, con la

posible excepcin de que los tamices moleculares normalmente requieren temperaturas de regeneracin ms altas.

Una planta tpica para la remocin del vapor de agua por adsorcin consiste en dos tanques llenos del desecante

granular junto con el equipo auxiliar para la regeneracin del desecante.


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CARACTERISTICAS QUIMICAS.-

El proceso de absorcin en una corriente de glicol o en lecho fijo de Cloruro de Calcio, el tipo de glicol depende

especialmente de la temperatura del gas a deshidratar.

Cuando la temperatura es mayor a -20F se utiliza el etilenglicol.

Cuando la temperatura es mayor a 20F se utiliza Dietilenglicol.

Cuando la temperatura es mayor a 150F se utiliza trietilenglicol

DESHIDRATACIN POR GLICOL.

La deshidratacin por medio del uso de glicol, comnmente con el uso de dietilenglicol (DEG) o trietilenglicol (TEG),

es el mtodo ms ampliamente usado para remover el agua del gas natural. El proceso trabaja basado en la alta

afinidad del glicol con el agua. Las unidades de este tipo de proceso, son diseadas para remover la mayor parte del

agua y pueden realizarse con un costo eficaz y con pocos problemas operativos. Ellas pueden ser fcilmente

automatizadas; por ejemplo, en la deshidratacin de la produccin de un pozo remoto. Control de los hidratos por

medio del uso de qumicos. Se puede destacar que las instalacin de plantas de deshidratacin es de mucha ayuda

para prevenir la formacin de hidratos de gas.

Por razones econmicas, existen muchos casos donde la instalacin de plantas de este tipo hace que el proceso de

distribucin no sea rentable. Estos casos pueden ser: en sistemas de almacenamiento, en pequeos sistemas de

distribucin, sistemas de distribucin que operan donde las condiciones climticas y de presin inducen a la

formacin de los hidratos. En estos casos es frecuentemente inconveniente controlar la formacin de los hidratos de

gas slo con la manipulacin de la temperatura o la presin de la lnea de gas afectada. La adicin de compuestos

anticongelantes es entonces otra alternativa que puede ser empleada eficientemente.

Los inhibidores que ms frecuentemente son utilizados; son los fluidos polares, tales como el metanol, el etilenglicol,

y el amonaco, colocados en orden decreciente debido a la frecuencia de uso. De los tres qumicos anteriores, el uso

del metanol y del etilenglicol se hace debido a que ellos son penetrantes, el amonaco es ms del doble de efectivo

que el metanol, pero slo se usa en casos severos de obstruccin por hidratos, debido a la reaccin del NH3 con el

CO2 en el gas se pueden formar tapones de slidos de carbonatos de amonio y bicarbonato, por lo tanto, es de

suma importancia considerar el manejo del amonaco en estos procesos como materia de seguridad.

Si una sustancia es disuelta en un lquido puro, bajar el punto de congelacin del lquido puro en una cantidad

definida. La ley de estado del descenso del punto de congelacin indica que la disminucin en el punto de

congelacin es directamente proporcional al peso de la sustancia disuelta en una cantidad dada de solvente. Para

aplicar esta ley, fue necesario determinar experimentalmente una constante que depende del tipo de solucin


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anticongelante. La constante es un valor promedio que fue obtenido de ms de 100 determinaciones experimentales

de la disminucin del punto de congelacin en un sistema hidratos de gas el cual contena cualquiera de estos

componentes metanol, etanol, isopropanolo amonaco, en concentraciones que variaban de 5 a 20 por ciento en

peso del componente anticongelante, lo cual condujo a la determinacin de la ecuacin de Hammerschmidt.

La ecuacin emprica de Hammerschmidt para encontrar la concentracin requerida de un inhibidor X (en

porcentaje), en una solucin acuosa, para bajar la temperatura de formacin del hidrato para una cantidad dada, F

es:

La ecuacin 4.8 no debera ser usada ms all del 20-25 % en peso para el metanol, y de un 60-70 % en peso para

los glicoles. Para concentraciones por arriba de 50 % en peso de metanol, la ecuacin Nielsen-Bucklin proporciona

una mejor exactitud:

Donde XH2O es una fraccin molar, Los valores determinados experimentalmente de K y el peso molecular de los

inhibidores son dados en la Tabla 4.6 10.

Tabla 4.6. Constantes Fsicas de los Inhibidores.


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La ecuacin (4.8) es aplicable a componentes tales como materiales orgnicos y el amonaco. Sin embargo, se debe

realizar una correccin para componentes tales como cidos, bases y sales, debido a que ellos se disocian cuando

son disueltos en agua

En estos casos, la ecuacin (4.8) se corrige de la siguiente forma:

Donde:

Mo = Peso Molecular, calculado para la reduccin del punto de congelacin, lb/lbmol.

Mt = Peso Molecular de la frmula qumica, lb/lbmol.

i = Grado de ionizacin (disociacin).

n = Nmero de iones formados por cada molcula del soluto.


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El metanol o un glicol usan tres posibles fases en la que el inhibidor puede distribuirse.

La fase acuosa donde ocurre la inhibicin del hidrato

La fase vapor del hidrocarburo donde el inhibidor puede perderse, como usualmente ocurre en el caso de la

inyeccin de metanol, y

La fase lquida del hidrocarburo la cual tiene una apreciable solubilidad para el metanol y para los glicoles

RECOMENDACIONES PARA PREVENIR LOS HIDRATOS DE GAS SE PODRA MENSIONAR

Calefaccionado o aislando la lnea de conduccin.

Agregar inhibidores termodinmicos para operar, con un margen de seguridad, fuera de la zona de

hidratos. Los dos inhibidores termodinmicos ms comunes: metanol y etilenglicol en la formacin de

hidratos.

Dejar que se forme (termodinmicamente) el hidrato pero modificar su crecimiento (cinticamente)

previniendo la agregacin (crecimiento) del hidrato.

9. BIBLIOGRAFIA

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Makogon, Yuri F, Texas A&M University. Hydrates of Hydrocarbons. Pennwell Publishing Company.

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sistema agua hidrocarburos3

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