HLG Training & Services

"Detección de problemas asociados con el manejo de mezclas de hidrocarburos

aplicando diagramas de fases"

Problem detections associated with the management of hydrocarbon mixtures

utilizing phase diagrams

Heilyn González*, Marcías Martínez*, Jorge Barrientos**

*Ingenieros Consultores y Asociados C.A., (ICONSA), **LUZ -Postgrado de Ingeniería, programa de gas.

E-mail de la autora: heilyngonzalez@hotmail.com Código Orcid.org/0000-0002-8744-6050

Resumen

En este trabajo se analiza el comportamiento de las mezclas de hidrocarburos mediante el empleo del diagrama de fases respectivo. Cada una de las envolventes fue elaborada empleando los modelos matemáticos de Peng Robinson y Soave Redlich Kwong incluidos en los simuladores comerciales. El trabajo realizado permite detectar fallas potenciales antes de que éstas ocurran proporcionando las soluciones preventivas. La investigación concluye en que el conocimiento del diagrama de fases es un soporte fundamental para evaluar cuán representativa es la muestra con la que se diseña, la detección de problemas operacionales en equipos tales como: arrastre de líquidos en separadores, depósito de líquidos en compresores, el impacto de la inyección del N2, CO2 y otros gases que alteran el comportamiento de los fluidos en el yacimiento. Se tiene la clara visión de que "el diagrama de fases es- en efecto- un lenguaje" y por ello se recomienda a los ingenieros y operadores su empleo cotidiano con lo cual se le generan grandes beneficios económicos a la industria, porque advierte sobre la existencia de problemas que se pueden evitar antes de que éstos se produzcan.

Palabras claves: diagrama de fases, mezclas de hidrocarburos, modelos matemáticos, simuladores.

Abstract

In this work the behavior of the hydrocarbon mixtures is analyzed by means of the use of the respective phase diagram. Each one of the diagram it was elaborated using the mathematical models of Peng Robinson and Soave included in the commercial simulators. The work done allows detecting potential faults before these happen providing the preventive solutions. The investigation concludes in which the knowledge of the phase diagram is a fundamental support to evaluate how representative is the sample with which the plant is designed, the detection of operational problems in equipment such as: drag liquids in separators, deposit of liquids in compressors, the impact of the injection of the N2, CO2 and other gases that change the behavior of the fluids in the reservoir. The clearly vision is known that "the phase diagram is in effect a language" and for that reason recommends the engineers and operators their daily use to generate great economic benefits to the industry, because warns on the existence of problems that can be avoided before these take place.

Keywords: phase diagram, hydrocarbon mixtures, mathematical modeling and simulation.

Introducción

El diagrama de fases es una expresión gráfica del componente o de la mezcla que se analiza, con el cual se puede definir el comportamiento del fluido a partir de la composición, la presión y la temperatura. Se elabora apoyándose en el porcentaje molar o volumétrico de cada uno de los componentes que integran la muestra, utilizando para ello los modelos matemáticos integrados a los simuladores que existen en el mercado.

Una vez construida la envolvente es fácil determinar si, la presión y la temperatura a la cual está operando el sistema, indican la tenencia de una sola fase (líquida o gaseosa) o si, en su defecto, el sistema está en dos fases. En este caso se puede conocer el porcentaje de líquido o de gas correspondiente a la mezcla que se analiza. Esta información es muy importante cuando se trabaja en el diseño de los diferentes equipos y plantas que se requieren en la industria del gas natural.

A pesar de la necesidad de los diagramas no es extraño advertir que, su empleo, no está tan difundido como debería y, con facilidad se observa, que los ingenieros y operadores desconocen la composición de la mezcla con la cual trabajan y su respectivo comportamiento. Esta observación condujo al desarrollo de la presente investigación que cubre lo inherente a las aplicaciones del diagrama de fases en sistemas de compresión, de expansión, impacto de la inyección de N2 a una muestra de LPG, arrastre de líquidos en un separador de entrada a una planta de amina y la recombinación de gas y de líquido para conocer el fluido de entrada a un separador, con lo cual se pueden prevenir muchas fallas que resultan demasiado costosas y que pudieran haberse evitado entrenando el personal.

Metodología

Recopilación de la información

Dentro del estudio de la cromatografía de fase gaseosa para determinar la composición de los fluidos con los cuales se trabaja, se tomaron en cuenta los procedimientos para la toma y el análisis de la muestra, así mismo se cuenta con la data de las cromatografías reportadas en cada caso de estudio.

Elaboración del diagrama de fases

Para la elaboración del diagrama de fases de los diferentes fluidos en estudio fue necesario el uso de simuladores comerciales y el análisis y comparación de los diferentes modelos matemáticos para la selección del modelo que mejor representa el comportamiento de las mezclas de hidrocarburos en el campo. Dentro de los modelos matemáticos utilizados podemos mencionar el de Peng Robinson y Soave Redlich Kwong, ya que son los más utilizados para modelar el comportamiento de los fluidos manejados en la industria petrolera y de gas natural.

Uso del diagrama de fases para detectar los problemas que se presentan en los equipos y los procesos de la industria de los hidrocarburos.

Para el análisis e interpretación del diagrama de fases correspondiente al fluido que se analiza, se sigue la siguiente metodología de estudio, tomando en cuenta los siguientes tópicos:

- Certificación de la calidad de la muestra (toma y análisis cromatográfico).

- Arrastre de hidrocarburos líquidos en el gas de tope de separadores.

- Sistemas de compresión.

- Impacto de la inyección de contaminantes al sistema.

- Expansión del gas natural.

Resultados y Discusión de Resultados

Certificación de la calidad de la muestra

La elaboración del diagrama de fases se apoya en la composición del gas que, a su vez, procede de los laboratorios de cromatografía; pero son muchas las consideraciones que pueden hacerse sobre la calidad del trabajo realizado por el laboratorio, las cuales conducen a darle credibilidad a los porcentajes de cada uno de los componentes que se reportan. Esta investigación conduce a descubrir errores que no se pueden detectar por simple inspección. A continuación se enumeran algunos errores que, por lo general, se presentan:

- La toma de las muestras es un aspecto relevante para darle credibilidad al diagrama de fases.

- Para hacer el análisis es necesario calentar bien el cilindro de muestreo con el fin de garantizar que la muestra que se analiza sea homogénea y, por lo tanto, representativa.

- Al reportar un seudocomponente, otros parámetros, tales como la densidad relativa y el peso molecular deben ser incluidos, porque con su presencia se pueden producir desviaciones notables del lugar geométrico de los puntos de rocío de la muestra.

- Cuando económicamente se justifique, es conveniente ordenar una cromatografía extendida, con el fin de disponer de una visión real del comportamiento del fluido, apoyándose en el diagrama de fases.

- Se debe vigilar de cerca las posibilidades de que el gas patrón cambie la composición, de tal manera que el análisis se corresponda con una muestra cierta.

Recolección de las muestras

Buena parte de las interrogantes que aparecen al interpretar el diagrama de frases nacen del instante y la manera como se toman las muestras. Al trabajar con los fluidos de un separador se debe tener presente que se analiza un sistema en equilibrio, por lo tanto:

- Las muestras de gas y de líquido que dejan el recipiente se deben tomar simultáneamente.

- Cuando se toman las muestras en puntos alejados del separador respectivo la composición puede haber cambiado y, por lo tanto, no es representativa.

- El fácil detectar cuando el diagrama del gas respectivo no tiene el porcentaje debido y la cuantía de los componentes pesados.

- Una muestra de petróleo tomada en el tanque no es representativa de los fluidos del separador a no ser que exista un solo separador enviando líquido al tanque respectivo. Por lo general el tanque recibe fluidos procedentes de diferentes estaciones de flujo. A su vez, la cuantía de los líquidos presentes tiene una relación íntima con el valor del GPM, por ello se consideró apropiado hacer un grafico con el contenido de componentes licuables de la muestra y la densidad relativa. En la figura 1 se entrega los resultados, esta describe el comportamiento del GPM con respecto a la densidad relativa para un grupo de muestras de gas natural tomadas al azar. La tendencia de la curva se ajusta bastante bien al comportamiento del sistema. Al eliminar las muestras con un alto contenido de impurezas, la curva se convierte en una línea recta, cuya ecuación se expresa a continuación:

GPM = 20,195 γ - 11,6 (1)

La figura 2, describe el comportamiento del valor calorífico de la muestra con respecto a la gravedad específica del gas. Igual que en el caso anterior queda representada por una línea recta.

Ambos casos nos advierten sobre la posibilidad de que, apoyándose en las ecuaciones descritas, se le pueda hacer seguimiento a las propiedades del gas.