GAS NATURAL
¿Qué es el gas natural?
El gas natural es una mezcla de hidrocarburos livianos en estado gaseoso, que en su mayor parte está compuesta por metano y etano, y en menor proporción por propano, butanos, pentanos e hidrocarburos más pesados. Las principales impurezas que puede contener la mezcla son vapor de agua, gas carbónico, nitrógeno, sulfuro de hidrógeno y helio, entre otros.
¿Cómo se encuentra el gas natural?
El gas natural se encuentra al igual que el petróleo en yacimientos en el subsuelo. Puede ser asociado (gas mezclado con crudo) o libre. Las propiedades del gas tales como: composición, gravedad específica, peso molecular promedio y poder calorífico varían de un yacimiento a otro.
Usos del gas natural
El gas natural en el sector industrial y petroquímico puede ser utilizado como combustible o materia prima.
Como combustible se emplea en varios tipos de equipos, por ejemplo: hornos, secadores y calderas. En las industrias de cerámicas, cemento, metales, y otras donde se requieren hornos, el aprovechamiento energético y el ahorro en el consumo son notorios cuando se utiliza gas natural. Como materia prima se utiliza en las industrias que requieren metano (principal componente del gas natural) en sus procesos. Algunos de los subproductos del metano son: Monóxido de carbono, Hidrógeno, Metanol, Ácido acético, Anhídrido acético, entre otros.
Gas Natural Crudo, es el gas natural tal y como es producido del yacimiento, que incluye diversas cantidades de los hidrocarburos más pesados que se licúan a condiciones atmosféricas, contiene vapor de agua, compuestos de azufre como el sulfuro de hidrógeno, y otros gases no hidrocarbonados, tales como el dióxido de carbono, el nitrógeno.
Gas Natural Negociable, es el gas disponible para la venta o para consumo directo como combustible doméstico, comercial o industrial, o como materia prima industrial, sea que existe naturalmente o sea resultado de procesar el gas natural crudo.
Gas Rico o Húmedo, se refiere al gas natural que contiene hidrocarburos más pesados que el metano en cantidad tal que pueden ser extraídos comercialmente, o que requieren su separación para hacer el gas residual disponible para uso combustible o transpone de tubería.
Gas Seco, es gas natural que contiene insuficiente cantidad de hidrocarburos más pesado que el metano, para permitir su extracción comercial o que requiere su separación para hacer el gas disponible para uso combustible.
El gas natural crudo puede también ser clasificado según su contenido de sulfuro de hidrógeno o de otros compuestos de azufre. El Gas Natural Dulce no contiene azufre o compuestos de azufre, o contiene cantidades tan pequeñas que no es necesario procesarlo para poderlo usar directamente como combustible doméstico no corrosivo; mientras que el Gas Natural Ácido requiere procesamiento para su uso, para eliminar el azufre y en algunos casos el dióxido de carbón.
La forma de existencia del gas natural también caracteriza a menudo la clasificación Gas no Asociado es el que se encuentra en un yacimiento libre de petróleo crudo, mientras que el que está en contacto o disuelto en el petróleo crudo se denomina Gas Asociado. El gas asociado puede además ser clasificado como Gas del Casquete de Gas que existe libre en el yacimiento en la fase gaseosa en contacto con el petróleo crudo, o Gas en Solución, que es el que está disuelto en el petróleo crudo a condiciones de presión y temperatura del yacimiento.
El gas natural que contiene predominantemente metano y etano en algunos casos de licúa por reducción de la temperatura para facilitar el transpone y se denomina en ese caso Gas Natural Licuado (LNG).
Líquidos del Gas Natural, es aquella porción del gas natural que se recobra como líquido en los separadores, las instalaciones de campo o las plantas de procesamientos de gas. Los líquidos del gas natural incluyen: etano, propano, butanos, pentanos, condensados y gasolina natural.
Gas licuado del petróleo (GLP), se obtiene del proceso de refinación del petróleo y de plantas recuperadoras de gas natural. Puede ser Butano, Propano o una mezcla de ambos.
Productos de plantas de gas, son los líquidos del gas natural recuperados en las plantas procesadoras de gas y, en algunos casos, en las instalaciones de campo. Los productos de las plantas de gas incluyen etano, propano, mezclas de butanos y propano, gasolina natural y condensados de planta.
Condensados, son líquidos del gas natural compuestos principalmente de pentanos e hidrocarburos más pesados.
Gasolina Natural, se encuentra en forma de rocío en el gas natural y que al igual que los condensados se recuperan del gas natural por enfriamiento o compresión. Es un líquido similar a la gasolina pero más ligero, volátil e inestable, debido a su menor peso molecular y a que contiene disueltos vapores de pentano, butano y propano.
Transporte
Las tuberías conductoras de gas natural o gasoductos, constituyen los medios de transportación más usados en el movimiento de este hidrocarburo. Un sistema integrado de gasoducto comprende: la recolección del gas, su compresión, el transporte y la distribución. El gas es recogido y conducido a la Estación de Recolección, en donde es sometido a una mayor presión, para luego ser transportado a largas distancias por gasoductos. Referencias Bibliográficas
- http://ance.msinfo.info/bases/biblo/texto/libros/BC.1991.T.II.b.6.pdf
- https://es.slideshare.net/ricardo19801976/clase-1-tipos-de-gas
- https://chcuatrogas.com/blog/noticias-del-sector/gas-natural-transporte
- http://lostemasinteresantes2016.blogspot.com/2016/01/la-importancia-del-gas-lp-en-la-vida.html
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Gas ideal
Un gas ideal es un modelo útil ya que se describe con una ecuación sencilla que con frecuencia se aplica a gases reales con una buena aproximación. Dada su naturaleza gaseosa la caracterización y manejo del gas natural se hace con procedimientos desarrollados con base en la teoría de los gases y esto permite definir con relativa facilidad sus propiedades físicas y los procedimientos para llevarlo a los requisitos de calidad que exigen los consumidores.
Para analizar las propiedades físicas del gas natural se debe empezar por estudiar el caso más sencillo de un gas, o sea un compuesto puro que a presión y temperatura ambiente se encuentre en estado gaseoso; este tipo de fluido tradicionalmente se considera como gas ideal. Un gas ideal cumple con las siguientes condiciones:
-Ocupa todo el volumen disponible en el recipiente donde está almacenado.
-El volumen de las moléculas comparado con el volumen total es despreciable.
-No hay interacciones del tipo gravitacional, eléctrico o electromagnético entre moléculas.
-Los choques entre las moléculas son completamente elásticos o sea que no hay transferencia de energía.
Estas cuatro condiciones se conocen como los postulados de la teoría cinética de los gases. Con base en la teoría cinética de los gases se han podido establecer algunas leyes conocidas como leyes de los gases ideales entre las cuales se puede mencionar:
Ley de Boyle: El volumen de una cantidad (masa) dada de gas a temperatura constante es inversamente proporcional a la presión, es decir:
P=K/V
¿Por qué ocurre esto?
Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.
Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión.
Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor.
P⋅V=k
Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una presión P1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:
P1⋅V1 = P2⋅V2
¿Por qué ocurre esto?
Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar.
Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenia el mismo valor.
Ecuación de Estado para un Gas Ideal
La ecuación de estado para un gas ideal y la cual presenta la siguiente forma:
PV = nRT
Donde:
P: Presión absoluta a la que se encuentra el gas, la cual por definición es la presión que indica el registrador de presión más la atmosférica del lugar, medidas ambas en las mismas unidades.
V: Volumen que ocupa el gas, el cual por definición de gas ideal es el mismo volumen del recipiente.
n: Cantidad de gas dada en moles.
R: Constante universal de los gases, su valor depende de las unidades usadas pero para un sistema de unidades dado es una constante, aunque tiene dimensiones.
T: Temperatura absoluta la cual es igual al valor que indica el medidor de temperatura del gas más una constante que depende de las unidades en que se registre la temperatura del gas. Si la temperatura se mide en °F la temperatura absoluta se obtiene de T = °F + 460 y se da en grados Rankine; si la temperatura se mide en °C, la temperatura absoluta se calcula de T = °C + 273,75 y se da en grados Kelvin.
Mezclas de Gases Ideales
Cuando varios compuestos puros en estado gaseoso, se mezclan sin que ocurran reacciones químicas la mezcla resultante se comporta también como un gas ideal y se le pueden aplicar las mismas leyes vistas para los gases ideales. Adicionalmente, las mezclas de gases ideales cumplen con las dos leyes siguientes:
Ley de Dalton: Cuando se tiene una mezcla de gases, cada componente ejerce una presión igual a la que ejercería si estuviera ocupando el volumen que tiene la mezcla manteniendo la temperatura constante. Esta presión se conoce como la presión parcial del componente i y la presión total de la mezcla es igual a la suma de las presiones parciales. Matemáticamente la ley de Dalton se plantea usando la ecuación:
Donde:
Pi: es la presión parcial del elemento i
ni: número de moles del elemento i
Además:
La presión parcial de cada componente se obtiene, multiplicando la fracción molar (yi) por la presión total (P) del sistema:
La ecuación anterior, es otra forma de plantear la Ley de Dalton y se podría enunciar como: en una mezcla de gases ideales, la presión parcial del componente i es igual al producto de la presión total de la mezcla por la fracción molar del componente i.
La presión parcial de cada componente se obtiene, multiplicando la fracción molar (y1 ) por la presión total (P) del sistema:
Ley de Amagat: En una mezcla de gases ideales el volumen ocupado por cada componente de la mezcla es igual al volumen que ocuparían las moles de dicho componente si estuviera solo a la presión de la mezcla. Este volumen se conoce como volumen parcial (Vi) y el volumen de la mezcla es igual a la suma de los volúmenes parciales.
La presión parcial de cada componente se obtiene, multiplicando la fracción molar por la presión total del sistema:
Donde:
Vi = Volumen parcial de cada componente
La composición de una mezcla de gases se puede dar como fracción molar de cada componente (equivalente a fracción por volumen) o fracción por peso. Para calcular este último se debe conocer el peso molecular de la mezcla pues por definición, fracción por peso es la relación entre la masa del componente i y la masa total de la mezcla.
Al dar la composición se identifican los diferentes componentes y su respectiva fracción molar. Sin embargo la identificación de todos los compuestos puros que son componentes de la mezcla solo es posible hasta cierto punto, pues para hidrocarburos livianos es fácil su separación como compuesto puro, caso del metano, etano, propano, debido a que sus puntos de ebullición son bastante diferentes; pero a medida que aumenta el número de carbonos y empiezan a aparecer los isómeros la separación de todos los componentes como compuestos puros se hace imposible.
Por esta razón al dar la composición de un gas se identifican los componentes puros generalmente hasta el hexano al igual que el H2S y el CO2, y los hidrocarburos de más de seis carbonos se toman como un solo componente que se identifica como C+7, el cual es una fracción cuyas características se deben determinar por algún método, pues no se encuentran en tablas como las de los componentes puros.
Aunque con las técnicas actuales de cromatografía es posible identificar un número aún mayor de componentes puros, de todas maneras se llega a una fracción final que habrá que considerarla como un componente puro sin serlo.
Peso Molecular, Densidad y Gravedad Específica de Mezclas
Cuando se trata de mezclas no se habla de peso molecular sino de peso molecular aparente, pues la mezcla está compuesta por moléculas de diferentes tamaños. El peso molecular aparente de una mezcla se obtiene de la siguiente forma:
Donde,
Yi y Mi: Son la fracción molar y el peso molecular del componente i respectivamente.
Ma: Es el peso molecular aparente.
Conocido el peso molecular aparente de una mezcla se puede obtener la fracción por peso de un componente (%Wi) en la mezcla así:
Por otro lado, la expresión para la densidad de una mezcla de gases se puede obtener a partir de la ecuación PV = nRT, recordando que n = m/M, donde m es la cantidad de gas y M es el peso molecular, o sea que reemplazando n por su expresión queda y simplificando:
La expresión anterior, permite calcular la densidad de una mezcla de gases con un peso molecular aparente conocido y a unas condiciones de P, T dadas. De acuerdo con la ecuación, la densidad de un gas dado varía con la presión y con la temperatura, por esto se dice que el gas es un fluido compresible porque su volumen varía con la presión.
La gravedad específica de un gas se define como la relación entre la densidad del gas y la densidad del aire calculada a las mismas condiciones de presión y temperatura; en el caso de una mezcla de gases la ecuación es la siguiente:
En general el gas natural tiene gravedades específicas menores de uno o sea es menos denso que el aire y mientras mayor sea el porcentaje o fracción molar de metano más se aleja de uno el valor de la gravedad específica y al contrario mientras menor sea la fracción molar de metano más se aproxima a uno.
Condiciones normales
Como ya se ha mencionado el volumen que ocupa una masa dada de gas varía principalmente con la presión aunque también con la temperatura; por esta razón al hablar de un volumen de gas se necesita especificar a qué presión y temperatura está medido ese volumen o, lo que es más común, medir ese volumen a las mismas condiciones de presión y temperatura siempre. Estas condiciones de presión y temperatura establecidas como de referencia para medir el volumen de un gas se conocen como condiciones normales y aunque pueden ser cualquier valor de P y T, tradicionalmente se toman como condiciones base en el sistema inglés de unidades 14,7 lpca y 60°F (520°R), a estas condiciones se les llama algunas veces condiciones normales (CN) y al volumen medido a estas condiciones volumen a condiciones normales (VCN) y se da en pies cúbicos normales. De igual manera en el sistema métrico se toman como condiciones de referencia 0 °C (273.15 K) y 1 atmósfera y a estas condiciones se les conoce también, como condiciones estándar.
Bibliografïa
1-. Kumar, S. ”Gas Production Engineering”, Chap. 3, Gulf Publishing Company. Book
Division, Houston.
2-. Gas Processors and Suppliers Association (GPSA), “Engineering Data Book”. Section 2,
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3-. Perez, R. “Ingeniería del Gas Natural. Propiedades Físicas y Comportamiento de Fases”,
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4-. Ahmed, T. “Hydrocarbon Phase Behavior”, Chaps. 1,3, Gulf Publishing Company. Book.
5-. Naranjo, A. “Propiedades Físicas de Rocas y Fluidos de Yacimiento” (Notas para un curso
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6-. McCain, W. D. “Reservoir – Fluid Property Correlations”, SPERE 05/91, Pag. 266.
7-. Sood, L.K and Jamsheer, A.S. “Design of Surface Facilities for Khuff Gas”, SPEPE 07/86.
8-. Chambers, M.J., Eager, K.D. and Matisson, S.A., “Hydrocarbon Management – Surface
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9-.http://www.educaplus.org/gases/ley_boyle.html
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