Las Propiedades de Los Fluidos Del Petroleo
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UAGRM
LAS PROPIEDADES DE
LOS FLUIDOS DEL
PETROLEO SEGUNDA EDICIO
WILLIAM D. MC CAIN, JR
09/08/2012
BORRADOR
I
1. CONTENIDO NOMENCLATURA .........................................................................................................
PREFACIO .....................................................................................................................
Componentes de los Fluidos del Petróleo Originado de forma natural ....................
Química Orgánica......................................................................................................
Teoría Estructural-Unión Química-Nombramiento de los Químicos Orgánicos-Hidrocarburos – Series Homologas
Alcanos ......................................................................................................................
Nomenclatura de los Alcanos – Propiedades físicas y químicas de los Alcanos
Alquenos ....................................................................................................................
Nomenclatura de los Alquenos – Propiedades físicas y químicas de los Alquenos
Alcadienos, Alcatrienos y Alcatetraenos ...............................................................
Alquinos .....................................................................................................................
Nomenclatura de los Alquinos – Propiedades físicas y químicas de los Alquinos
Hidrocarburos Ciclo-alifáticos .................................................................................
Cicloalcanos - Anillos condensados – Cicloalquenos y Cicloalcadienos
Aromáticos ................................................................................................................
Benceno – Uniones del Benceno – Nomenclatura de los Hidrocarburos Aromáticos – Propiedades físicas y químicas de los Hidrocarburos Aromáticos
Ciclo-alcano-aromáticos ...........................................................................................
Otros componentes Orgánicos ...............................................................................
Componentes no hidrocarburos del petróleo ........................................................
Compuestos sulfurosos – Compuestos de Oxígeno – Compuestos de Nitrógeno –Componentes órgano metálicos
Resinas y Asfaltenos ................................................................................................
Clasificación del Petróleo Crudo .............................................................................
Clasificación Física - Clasificación Química
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias Generales .............................................................................................
Comportamiento de fases ...........................................................................................
Sustancias Puras .....................................................................................................
Diagrama De Fase Para Una Sustancia Pura – Uso De Los Diagramas De Fase – Presión De Vapor De Una Sustancia Pura – Diagrama Presión Volumen Para Una Sustancia
Mezclas de Dos Componentes .................................................................................
Diagramas De Fase De Mezclas De Dos Componentes - Diagrama Presión-Volumen Para Una Mezcla De Dos Componentes – Diagramas De Composición
Mezclas de Tres Componentes ...............................................................................
Diagramas Ternarios – Diagramas De Fase Para Tres Componentes – Uso De Los Diagramas Ternarios
Mezclas Multicomponentes ......................................................................................
Ejercicios ..................................................................................................................
BORRADOR
II
Referencias ...............................................................................................................
Ecuaciones de estado .................................................................................................
El Gas Ideal ...............................................................................................................
Ecuación de Boyle – Ecuación de Charle – Ley de Avogadro – La Ecuación De Estado Para Un Gas Ideal – Teoría Cinética De Los Gases
Mezclas de Gases Ideales .........................................................................................
Ley de Dalton las Presiones Parciales – Lay de Amagat de los Volúmenes Parciales – Peso molecular Aparente de una Mezcla de Gases – Gravedad Especifica de un Gas
Comportamiento de los Gases Reales ....................................................................
Ecuación De Estado Con Compresibilidad – Ley De Los Estados Correspondientes – La Ecuación De Estado Con Compresibilidad Para Mezclas De Gas
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Otras ecuaciones de estado para gases reales ..........................................................
Ecuación de estado de Van der Waals ...................................................................
Otras ecuaciones de estado con “el espíritu de van der Waals” ...........................
Ecuaciones de estado en el punto critico ..............................................................
La ecuación de estado virial ....................................................................................
Ecuación de estado de Beattie-Bridgeman ............................................................
Ecuación de estado Benedict-Webb-Rubin ............................................................
Desarrollos recientes en ecuaciones de estado ....................................................
Ecuación de estado Redlich-Kwong – Ecuación de estado Peng-Robinson – mezclando reglas
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Referencias Generales .............................................................................................
Los cinco fluidos del reservorio ..................................................................................
Diagramas de fase para Multicomponentes ...........................................................
Los cinco fluidos del reservorio .............................................................................
Identificación de los tipos de fluidos
Petróleos negros ......................................................................................................
Diagrama de fase para el petróleo negro – comentarios – identificación en el campo del petróleo negro – análisis de laboratorio en petróleos negros
Petróleos volátiles ....................................................................................................
Diagrama de fase para petróleo volátil - – comentarios – identificación en el campo del petróleo volátil – análisis de laboratorio en petróleo volátil
Gases retrógrados ...................................................................................................
Diagrama de fase para gases retrógrados– identificación en el campo de gases retrógrados – análisis de laboratorio en petróleo volátil – comentarios
Gases húmedos .......................................................................................................
Diagrama de fase del gas húmedo – comentarios – identificación en el campo de gases húmedos
Gases secos .............................................................................................................
BORRADOR
III
Diagrama de fase del gas seco – comentarios
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Propiedades del Gas Seco ...........................................................................................
Condiciones estándar ...............................................................................................
Gas seco ....................................................................................................................
Factor volumétrico del gas de formación – el coeficiente de la compresibilidad isotérmica del gas – el coeficiente de viscosidad del gas
Valor de calentamiento
Efecto Joule-Thomson ..............................................................................................
Ejercicios ...................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Propiedades del gas húmedo ......................................................................................
Recombinación de los fluidos en superficie – composiciones conocidas ...........
Composiciones superficiales conocidas – composiciones en el separador conocidas
Recombinación de fluidos en superficie – composiciones desconocidas ...........
Propiedades conocidas del gas en separador y los gases de ventilación del tanque de almacenamiento – propiedades desconocidas del gas en el tanque de almacenamiento
Factor volumétrico de formación del gas húmedo .................................................
Composiciones superficiales conocidas – composiciones desconocidas
Productos de planta ..................................................................................................
Gases retrógrados ....................................................................................................
Ejercicios ...................................................................................................................
Referencias ................................................................................................................
Propiedades del petróleo negro – definiciones ..........................................................
Gravedad específica para un líquido ......................................................................
Factor volumétrico de formación para el petróleo ..................................................
Relación de solubilidad gas-petróleo ......................................................................
El coeficiente de compresibilidad isotérmica del petróleo ....................................
Presiones por encima del punto de burbuja – presiones por debajo del punto de burbuja
Coeficiente de viscosidad del petróleo ...................................................................
Coeficiente de expansión térmica isobárica de un líquido ....................................
Tensión interfacial .....................................................................................................
Petróleos volátiles ....................................................................................................
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Propiedades del petróleo negro – datos de campo ....................................................
Reservorios de petróleo – presión inicial del reservorio ......................................
Reservorios de petróleo – tendencias de producción de gas ...............................
Reservorios de petróleo – tendencias de presión ................................................
BORRADOR
IV
Propiedades de los fluidos extraídos del historial Producción-Presión ...............
Ajustes a los datos de gas superficial ....................................................................
Petróleos volátiles ....................................................................................................
Gases retrógados .....................................................................................................
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Propiedades del petróleo negro – estudios de los fluidos del reservorio ...............
Recolección de muestras de petróleo del reservorio ............................................
Estudio de los fluidos del reservorio ......................................................................
Composiciones – separación flash – separación diferencial – exámenes en el separados – viscosidad del petróleo – viscosidad del gas
Propiedades de los fluidos del reservorio desde el estudio de los fluidos del reservorio ..................................................................................................................
Selección de las condiciones del separador – factor volumétrico de formación del petróleo – relación gas-petróleo – factor volumétrica de formación para el gas – factor volumétrico de formación total – viscosidades coeficiente de la compresibilidad isotérmica del petróleo
Ejercicios ...................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Propiedades del petróleo negro - correlaciones ........................................................
Presión de punto de burbuja ....................................................................................
Relación gas-petróleo ...............................................................................................
Densidad de un líquido .............................................................................................
Calculo de la densidad de un líquido usando principios de una solución ideal – cálculo de la densidad del líquido del reservorio a presión de saturación usando principios de una solución ideal – cálculo de la densidad del líquido del reservorio para presiones arriba del punto de burbuja
Factor volumétrico de formación del petróleo ........................................................
Estimación del factor volumétrico del petróleo a la presión de saturación usando principios de una solución ideal - estimación del factor volumétrica de petróleo a presión de saturación usando una correlación – estimación del factor volumétrico del petróleo a presiones por encima de la presión de burbuja
Ajustes al factor volumétrico del petróleo y relación gas-petróleo para el presión de burbuja derivada del campo .................................................................
Factor volumétrico total ...........................................................................................
El coeficiente de compresibilidad isotérmica del petróleo ...................................
Coeficiente de compresibilidad isotérmica del petróleo a presiones por encima del punto de burbuja - Coeficiente de compresibilidad isotérmica del petróleo a presiones por debajo del punto de burbuja
El coeficiente de viscosidad del petróleo ................................................................
Estimación de la viscosidad del petróleo en el punto de burbuja y por debajo – estimación de la viscosidad del petróleo por encima del punto de burbuja
Tensión interfacial ....................................................................................................
Tensión interfacial liquido-gas, para sustancias puras - Tensión interfacial liquido-gas, para mezclas de hidrocarburos
Ejercicios ..................................................................................................................
BORRADOR
V
Referencias ...............................................................................................................
Equilibrio gas-liquido ...................................................................................................
Soluciones ideales ....................................................................................................
Ecuación de Raoult – ecuación de Dalton – composiciones y cantidades de las fases en equilibrio de una solución ideal – cálculo de la presión de burbuja de una solución ideal - cálculo de la presión de rocío de una solución de gas ideal
Soluciones no ideales ...............................................................................................
Composiciones y cantidades de las fases en equilibrio de una solución real – cálculo de la presión burbuja para un líquido real – cálculo del punto de rocío de un gas real
Separación flash .......................................................................................................
Separación diferencial .............................................................................................
Procedimiento de cálculo, presión final conocida – procedimiento de cálculo, numero conocido de moles a ser vaporizados
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Separación superficial ..................................................................................................
Separadores superficiales para petróleos negros ..................................................
Cálculos en el separador para otros tipos de fluidos del reservorio ....................
Cálculo de factores K de separador.........................................................................
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Correlaciones radio-equilibrio .....................................................................................
Presión de convergencia ..........................................................................................
Definición de convergencia – estimación de la presión de convergencia
Efecto de valores inexactos de radios de equilibrio ...............................................
Correlación y factores de K de alisamiento ............................................................
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Cálculos del equilibrio gas-liquido con ecuaciones de estado .................................
Sustancias puras ......................................................................................................
Potencia química – la fugacidad – coeficiente de fugacidad ejemplo de cálculo de estado para una sustancia pura
Mezclas .....................................................................................................................
Potencia química – coeficiente de fugacidad – ejemplo de cálculo de estado para mezclas
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Referencias generales .............................................................................................
Propiedades de las aguas de un campo petrolero .....................................................
Composición de las aguas ......................................................................................
Presión de punto de burbuja ....................................................................................
Factor volumétrico ....................................................................................................
BORRADOR
VI
Densidad ...................................................................................................................
Solubilidad de gas natural en el agua .....................................................................
El coeficiente de la compresibilidad isotérmica del agua .....................................
El coeficiente de la compresibilidad isotérmica del agua a presiones por encima del punto de burbuja – El coeficiente de la compresibilidad isotérmica del agua a presiones por debajo del punto de burbuja
El coeficiente de viscosidad de las aguas de formación .......................................
Solubilidad del agua en gas natural.........................................................................
Solubilidad del agua en hidrocarburos líquidos .....................................................
Resistividad de las aguas de formación ..................................................................
Tensión interfacial .....................................................................................................
Tensión interfacial entre el agua y el hidrocarburo gas – tensión interfacial entre el agua y el hidrocarburo líquido
Ejercicios .......................................................................................................................
Referencias ....................................................................................................................
Referencias generales ...................................................................................................
Hidratos de gas
Formación de los hidratos de gas ..........................................................................
Condiciones para la formación de los hidratos de gas ..........................................
Inhibición de la formación de hidratos de gas ........................................................
Formación de hidratos de gas causada por la reducción de presión ..................
Ejercicios ..................................................................................................................
Referencias ...............................................................................................................
Referencias generales .............................................................................................
Apéndice A ...................................................................................................................
Apéndice B ...................................................................................................................
Índice ............................................................................................................................
BORRADOR
NOMENCLATURA
INGLES
a, b, c Constantes en varias ecuaciones de estado
a, b, c, Ao, Bo Constantes en la ecuación de estado de Beattie-Bridgeman
a, b, c, Ao, Bo, Co, α, γ Constantes en la ecuación de estado de Benedict-Webb-Rubin
ac Constante en la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong y Peng-Robinson
aT Coeficiente dependiente de la temperatura en las ecuaciones de estado de Soave-Redlich-Kwong y Peng-Robinson
aTi Coeficiente dependiente de la temperatura del componente i
aTj Coeficiente dependiente de la temperatura del componente j
A Numero de moléculas por peso molecular de Avogadro
A Área del corte transversal
A Suma de la fracción molar de dióxido de carbono y sulfuro de hidrogeno en la Ecuación B-17
A, B, A´, B´ Coeficientes en varias ecuaciones de estado
A´j, B´ j Coeficientes para el componente j
A, B, E Coeficientes en la ecuación de estado Beattie-Bridgeman modificada por Beattie
AGP Gas producido adicional, un parámetro en la ecuación de gravedad específica para un reservorio de gas, definida en la Ecuación 7-11
API, ºAPI Gravedad del líquido en grados ºAPI, definido en la Ecuación 8-2
jb Coeficiente para el componente j en varias ecuaciones de estado
jb Factor de graficación definido en la ecuación 14 – 4
ob Factor de encogimiento del petróleo, definido en la ecuación 8 – 4
B Fracción molar de sulfuro de hidrogeno en la ecuación B – 17
B, C, … Coeficientes viriales
BORRADOR
VIII
gB Factor volumétrico del gas de formación, específicamente del gas seco, definido en la ecuación 6 – 1
oB Factor volumétrico de formación, definido en la ecuación 8 – 3
obB Factor volumétrico del petróleo en el punto de burbuja
oDB Vea la tabla 10 – 3
oDbB Vea la tabla 10 – 3
oSbB Vea la tabla 10 – 3
tB Factor volumétrico total (dos fases), definido en la ecuación 8 – 6
tDB Vea la tabla 10 – 3
wB Factor volumétrico de formación del agua, definido en el capítulo 16
wbB Factor volumétrico de formación del agua en el punto de burbuja del agua
wgB Factor volumétrico del gas húmedo, definido en la ecuación 7 – 12
gc Coeficiente de compresibilidad isotérmica del gas, definida en las ecuaciones 6 – 4
oc Coeficiente de compresibilidad isotérmica del líquido, definida en las ecuaciones 8 – 7 o la ecuación 8 – 24
prc Coeficiente de compresibilidad isotérmica del gas pseudoreducido, definido en la ecuación 6 – 14
wc Coeficiente de compresibilidad isotérmica del agua, definido en las ecuaciones 16 – 2 o la ecuación 16 – 3
C Constante de integración o constante de proporcionalidad
pb
CN Definido en la ecuación B – 38
Bob
CN Definido en la ecuación B – 48
pC Capacidad calorífica del gas a una presión constante
d Densidad molar 1 MV
EXP x Equivalente a xe
BORRADOR
IX
f Fugacidad, definido en la ecuación 15 – 3
jf Fugacidad del componente j, definido en la ecuación 15 – 18
gf Fugacidad del gas en equilibrio con el liquido
gjf Fugacidad del componente j del gas en equilibrio con el liquido
Lf Fugacidad del líquido en equilibrio con el gas
Ljf Fugacidad del componente j del líquido en equilibrio con el gas
jF Factor de la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definida en la ecuación B – 9
G Potencial químico
jG Potencial químico del componente j
GPM Líquidos contenidos en el gas, galones por MSCF
jGPM Líquidos contenidos del componente j en el gas, en galones por MSCF de gas
J Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definida en la ecuación B – 5
J´ Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definida en la ecuación B – 3
K Relación de equilibrio, definida en la ecuación 12 – 14
K Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definida en la ecuación B – 6
K´ Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definida en la ecuación B – 4
jK Relación de equilibrio para el componente j
C
jK Valor calculado de la relación de equilibrio del componente j
T
jK Valor de prueba de la relación de equilibrio para el componente j
ln Logaritmo natural, base e
log Logaritmo común, base 10
L Largo
BORRADOR
X
cL Valor de calor (calor de combustión)
cjL Valor de calor para el componente j
vL Calor latente de vaporización
m Masa
m Constante en las ecuaciones de estado Soave-Redlich-Kwong y Peng-Robinson
m´ Masa de una molécula
Rm Masa de un reservorio de gas
M Peso molecular
aM Peso molecular aparente, definido en la ecuación 3 – 35
aireM Peso molecular del aire
7CM Peso molecular aparente del carbono 7 plus
gM Peso molecular aparente del gas
jM Peso molecular aparente del componente j
LM Peso molecular del líquido en equilibrio con el gas
oM Peso molecular aparente del líquido
oRM Peso molecular aparente del líquido del reservorio
STOM Peso molecular aparente del líquido en el taque de almacenamiento
n Numero de moles, total de moles
n´ Numero de moléculas
gn Numero de moles de gas en equilibrio con líquido
jn Numero de moles del componente j
Ln Numero de moles de líquido en equilibrio con el gas
LfN Moles del líquido remanente al fin de la separación diferencial
BORRADOR
XI
Rn Numero de moles de un reservorio de gas
gn Fracción molar de gas, gn n
1 2, ,...g gn n Fracciones de gas formadas en las etapas 1, 2, … del proceso de separación por etapas
Ln Fracción mola de líquido, Ln n
1 2, ,...L Ln n
Fracción molar de líquido formada en las etapas 1, 2. … del proceso de separación por etapas
p Presión
p
Cambio de presión
presion corr campob bp p , Ecuación 1 – 8
bp Presión de burbuja
corrbp
Presión de burbuja obtenido por correlación
campobp Presión de burbuja obtenido de los datos de producción
cp Presión critica
cjp Presión critica para el componente j
dp Presión de rocío
jp Presión parcial del componente j en una mezcla de gases, definido en el capítulo 3
kp Presión de convergencia
pcp Presión pseudocrítica, definida en la ecuación 3 – 42
pcp Presión pseudocrítica corregida para componentes no hidrocarburos, vea la ecuación 3 – 45
prp Presión pseudocrítica, definida en la ecuación 3 – 43
rp Presión reducida, definida en la ecuación 3 – 48
rjp Presión reducida del componente j
Rp Presión del reservorio
BORRADOR
XII
scp Presión a condiciones estándar, vea la Tabla 6 – 1
SPp Presión del separador
1 2, ,...SP SPp p Presión en las etapas 1, 2, … del proceso de separación por etapas
vp Presión de vapor
vjp Presión de vapor del componente j
vrp Presión de vapor reducida, v cp p
P Paracoro en las ecuaciones de tensión interfacial
jP Paracoro del componente j
r Resistencia eléctrica
R Proporción gas-petróleo de producción
R Constante universal de los gases
sR Proporción gas-petróleo en solución (solubilidad del gas en el petróleo), definida en la ecuación 8 – 5
sbR Proporción gas-petróleo en solución en el punto de burbuja
sDR Vea la tabla 10 – 3
sDbR Vea la tabla 10 – 3
swR Proporción gas-agua en solución (solubilidad del gas en el agua)
WR Resistividad del agua, definida en las ecuaciones 16 – 5
SPR Relación gas-petróleo en el separador
1 2, ,...SP SPR R Relación gas-petróleo de las etapas 1, 2, … del proceso de separación por etapas
STR Relación gas-petróleo en el tanque de almacenamiento
S Salinidad de la salmera
T Temperatura
T Cambio de temperatura
BORRADOR
XIII
BT Temperatura en el punto de ebullición normal
BjT Temperatura en el punto de ebullición normal del componente j
CT Temperatura critica
cjT Temperatura critica del componente j
hT Reducción en la temperatura de formación de hidratos
pcT Temperatura pseudocrítica, definida en la ecuación 3 – 42
pcT Temperatura pseudocrítica ajustada para componentes no hidrocarburíferos, vea la ecuación 3 – 44
prT Temperatura pseudoreducida, definida en la ecuación 3 – 43
rT Temperatura reducida, definida en la ecuación 3 – 41
rjT Temperatura reducida para el componente j
RT Temperatura del reservorio
scT Temperatura a condiciones estándar
SPT Temperatura del separador
1 2, ,...SP SPT T Temperatura de las etapas 1, 2, … del proceso de separación por etapas
v Velocidad molecular
v Volumen especifico
V Volumen
bV Volumen de líquido en el punto de burbuja
VEQ Equivalente de volumen de gas en el tanque de almacenamiento, es un parámetro en la ecuación de gravedad especifica del gas de reservorio, definida en la ecuación 7 – 10
jV Volumen parcial del componente j, definida en el capítulo 3
MV Volumen molar, volumen de un mol
BORRADOR
XIV
McV Volumen molar en el punto critico
MgV Volumen molar del gas
MLV Volumen molar del líquido
oV Volumen de líquido
RV Volumen de gas calculado a condiciones del reservorio
scV Volumen de gas calculado a condiciones estándar
tV Volumen total
t
b F
V
V
Vea la tabla 10 – 3
WV Volumen de agua
wpV Cambio en volumen del agua durante la presión de la presión
en la ecuación wB , ecuación 16 – 1
1Cw lb de metano/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)
2Cw lb de etano/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)
2COw lb de dióxido de carbono/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)
2H Sw lb de sulfuro de hidrogeno/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)
mixw lb de la mezcla/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)
2Nw lb de nitrógeno/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)
jw Peso fraccional del componente j
W Contenido de humedad, ecuación B – 76
W Peso porcentual del soluto, ecuación B – 89
1W Peso fraccional del metano en una mezcla, definido en la ecuación 11 – 1, usado como un porcentaje en la figura 11 – 6
BORRADOR
XV
2W Peso fraccional del etano en el etano y más pesados, definido en la ecuación 11 – 2, usado como porcentaje en la figura 11 – 6
jx Fracción molar del componente j en un líquido
jix Fracción molar del componente j en el líquido a condiciones iniciales
jfx Fracción molar del componente j en el líquido a condiciones finales
jy Fracción molar del componente j en el gas
Y Volumen de condensado
z Factor de compresibilidad (z = pV/nRT), definido en la ecuación 3 – 40
cz Factor de compresibilidad en el punto critico
gz Factor de compresibilidad del gas (zg = pVMg/nRT)
jz Fracción molar del componente j en el total de la mezcla
Lz Factor de compresibilidad del líquido (zL = pVML/nRT)
scz Factor de compresibilidad a condiciones estándar
Griego
Coeficiente dependiente de la temperatura en las ecuaciones de estado de Soave-Relich-Kwong y Peng-Robinson
j Coeficiente dependiente de la temperatura del componente j
Coeficiente de expansión térmica isobárica, definida en la ecuación 8 – 25
7C Gravedad especifica del heptano 7 plus, definido por lo que respecta a líquido
gR Gravedad especifica del gas del reservorio
gSP Gravedad especifica del gas en el separador
1gSP Gravedad especifica del gas en la primera etapa del separador
2gSP Gravedad especifica del gas en la segunda etapa del
BORRADOR
XVI
separador
gST
Gravedad especifica del gas en el tanque de almacenamiento
o Gravedad especifica del líquido, definida en la ecuación 8 – 1
oj
Gravedad especifica del componente j de un líquido
STO
Gravedad especifica del petróleo en el tanque de almacenamiento
w Gravedad especifica del agua (salmuera), definida en el capítulo 16
ij Coeficiente de interacción binaria en las ecuaciones de estado de Soave-Redlich-Kwong y Peng-Robinson
Indica diferencia, cambio
Factor de ajuste de la temperatura pseudocrítica para componentes no hidrocarburíferos, ecuaciones 3 – 44 y 3 – 45
j Error funcional del componente j, capitulo 15
J Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definido en la ecuación B – 7
K Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definido en la ecuación B – 8
Viscosidad dinámica
g Viscosidad del gas (dinámica)
gi
Viscosidad del gas del componente j
1g Viscosidad del gas a presión atmosférica
o Viscosidad del petróleo (dinámica)
ob
Viscosidad del petróleo (dinámica) en el punto de burbuja
oD
Viscosidad del petróleo (dinámica) a presión atmosférica (petróleo muerto, en el tanque de almacenamiento)
w Viscosidad del agua (dinámica)
1w Viscosidad del agua (dinámica) a presión atmosférica
v Viscosidad cinemática, definida en la ecuación 6 – 15
BORRADOR
XVII
a Densidad liquida aparente de una solución de gas
, 1a C
Densidad liquida aparente del metano
, 2a C
Densidad liquida aparente del etano
bs
Densidad del líquido a presión del reservorio y 60ºF
3C Densidad del propano y más pesados parte de la mezcla
g Densidad del gas
gc
Densidad del gas en su punto critico
2H S
Ajuste a la densidad del líquido debido al contenido de sulfuro de hidrogeno
L Densidad del líquido en equilibrio con el gas
o Densidad del líquido
oj
Densidad del componente j como líquido a condiciones estándar
ob
Densidad del líquido a las condiciones de punto de burbuja
oR
Densidad del líquido del reservorio a condiciones del reservorio
p Ajuste a la densidad del líquido debido a la presión
pr
Densidad pseudoreducida del gas, definida en la ecuación B – 18, B – 11
STO
Densidad del tanque de almacenamiento, a condiciones estándar
T Ajuste a la densidad del líquido debido a la temperatura
w Densidad del agua (salmuera)
Tensión interfacial
gw
Tensión interfacial gas-agua
j Coeficiente de fugacidad del componente j, definido en la ecuación 15 – 21
BORRADOR
XVIII
gj
Coeficiente de fugacidad del componente j en el gas
Lj
Coeficiente de fugacidad del componente j en el líquido
Factor acéntrico
j
Factor acéntrico del componente j
a
Constante en la ecuación de estado, 0.45724 en la ecuación Peng-Robinson, 0.42747 en la ecuación de Soave-Redlich-Kwong
b
Constante en la ecuación de estado, 0.07780 en la ecuación Peng-Robinson, 0.08664 en la ecuación de Soave-Redlich-Kwong
Subíndices
a
Aparente, además usada con a
para indicar la contante en
la ecuación ca
Actual Actual (como en un gas real)
Aire Aire
A,B,C Diferentes especies químicas, diferentes componentes de una mezcla
A Argón
b Punto de burbuja, usado además con b
para indicar la
constante en la ecuación b
B Punto de burbuja
c Crítico, además usado con cL para representar combustión
corr Valor de una propiedad obtenido por correlación
C1, C2, C3, … Metano, etano, propano, …
C3+ Propiedad de la fracción de propano plus en una mezcla de petróleo
C7+ Propiedad de la fracción de heptano plus en una mezcla de petróleo
CO2 Dióxido de carbono
C + Propiedad de la fracción plus en una mezcla de petróleo
d Punto de rocío
BORRADOR
XIX
dry Seco, con cL indica sin agua antes de la combustión
D Propiedad medida en una vaporización diferencial (vea la tabla 10 – 3) usada además para el petróleo muerto
f Valor final o condiciones finales
field Valor o propiedad obtenido del historial de producción
F Propiedad obtenida en la vaporización flash, vea la tabla 10 – 3
g Gas
g1 Gas a la presión atmosférica
H2S Sulfuro de hidrogeno
i Valor inicial o condiciones iniciales o diferentes componentes de una mezcla
ideal Propiedad de un gas ideal o de una mezcla ideal
ij i y j representan diferentes componentes de una mezcla
ijk i, j y k representan diferentes componentes en una mezcla
j Diferentes componentes en una mezcla
jf j representa diferentes componentes de una mezcla, f representa valor final o condiciones finales
ji j representa diferentes componentes de una mezcla, i representa valor inicial o condiciones iniciales
L Líquido, usualmente en el contexto de líquido en equilibrio con el gas
mix Mezcla
M Molar
N2 Nitrógeno
o Petróleo o líquido
O2 Oxigeno
p Presión (en el contexto de la constante de presión en pC ) o
dependiente de la presión
pc Pseudocrítica
pr Pseudoreducida
BORRADOR
XX
r Reducida
R Reservorio (usada solo cuando sea necesario el distinguir
entre cantidades en el mismo cálculo, tal como en oR y STO
)
s Solución (gas en solución)
S Propiedad medida en una prueba de separador, vea la tabla 10 – 3
SP Separador
SP1 Primera etapa del separador
SP2 Segunda etapa del separador
ST Tanque de almacenamiento
STO Tanque de almacenamiento de petróleo (usado solo cuando sea necesario para distinguir entre cantidades en el mismo
cálculo, tal como en oR y STO )
t Total o dos fases
T Temperatura o dependiente de la temperatura
v Usado en vp para indicar la presión de vapor y vL para
indicar vaporización
w Agua (salmuera del reservorio)
wet Mojado, con cL para indicar saturación con vapor de agua
antes de la combustión
wg Gas húmedo
1, 2, 3, … Pretende primariamente indicar diferentes condiciones de presión y temperatura, además es usado para indicar etapas de separación
Superíndices
C Valor calculado
T Valor de la prueba
Abreviaciones
A Unidad angstrom 810 cm
AGP Gas adicional producido, un parámetro en la ecuación de gravedad especifica del gas en el reservorio
BORRADOR
XXI
ºAPI Grados (Instituto Americano del Petróleo)
atm Atmosfera
bbl Barriles
bbl/d Barriles por día
lb/gal Libras por galón
lb mol Libras mol
lb/ sq in Libras por pulgada cuadrada
lb/ sq ft Libras por pie cuadrado
lim Limite
liq Líquido
ln Logaritmo natural (base e)
log Logaritmo común (base 10)
m Metro
meq Peso mili equivalente
mg Miligramo
microsip 1 610psi
ml Mililitro
mm Hg Milímetros de mercurio
mol wt Peso molecular
MMscf Millón de pies cúbicos estándar
MMSTB Millón de barriles fiscales
MSTB/d Miles de barriles estándar por día
oz/sq in Onzas por pulgada cuadrada
ppm Partes por millón
psi Libras por pulgada cuadrada
psia Libras por pulgada cuadrada absolutas
psig Libras por pulgada cuadrada medidas
res Reservorio
BORRADOR
XXII
res cu ft Pies cúbicos del gas del reservorio reportados a las condiciones del reservorio
res bbl Barriles de líquido o gas del reservorio (o ambos) reportados a las condiciones del reservorio
ºR Grados Rankin
scf Pies cúbicos estándar, volumen de gas reportado a condiciones estándar
scf/STB Pies cúbicos estándar de gas por barril en el tanque de almacenamiento
sec Segundos
sip 1psi
sp. gr. Gravedad especifica
sq Cuadrado
sq cm Centímetros cuadrados
sq ft Pies cúbicos
sq in Pulgadas cubicas
SP Separador
SP bbl Barriles de líquido en el separador
ST Tanque de almacenamiento
STB Barriles de petróleo en el tanque de almacenamiento (barriles en el tanque de almacenamiento) reportados a condiciones estándar, además usados para barriles de agua a condiciones estándar
vs Versus
VEQ Equivalente de volumen de gas del líquido en el tanque de almacenamiento, un parámetro en las ecuaciones de gravedad especifica del gas del reservorio
wt Peso
BORRADOR
XXIII
PREFACIO Sustanciales progreso en nuestro conocimiento sobre las propiedades de los fluidos
del reservorio han ocurrido durante los últimos quince años. Las correlaciones han
sido mejoradas. Observaciones del comportamiento de la producción y resultados de
laboratorio han llevado la delantera para mejores reglas de dedo para su uso en la
determinación de los tipos de fluido en el reservorio. Correlaciones gráficas y tabulares
han sido reducidas a su forma de ecuación para su uso en computadoras.
Procedimiento de laboratorio para analizar los fluidos del reservorio han sido
estandarizados. Y técnicas para convertir los resultados del laboratorio en útiles
propiedades de fluidos han sido clarificadas. Nueva información con respecto a la
naturaleza química del petróleo está disponible. Desarrollo en el uso de ecuaciones de
estado para calcular el equilibrio gas-líquido ha sido rápido.
Estas razones una reescritura de la primera edición ha sido necesaria. El texto original
y las figuras han sido usadas donde era posible; sin embargo, alguna nueva
disposición se ha hecho basada en la experiencia del uso del libro en la clase.
Revisiones y adiciones para actualizar el libro fueron hechas conforme ha sido
necesario.
Cada correlación presentada en este libro ha sido comparada con otras correlaciones
de la misma propiedad y con datos experimentales disponibles; solo las correlaciones
más precisas son presentadas. Verificaciones de las mejores correlaciones fueron
basadas en un largo set de datos de propiedades de los fluidos provistos por la
universidad de Texas A&M y los laboratorios Core, Inc. Características esenciales de
la identificación de los datos (tales como la compañía, el lugar geográfico o geológico,
fecha de muestreo y análisis, nombre del pozo o el campo) fueron removidos; sin
embargo, los datos representan la mayoría de las áreas del mundo libre en el cual la
exploración y producción del petróleo han sido activas durante 1980-1986. Debo un
reconocimiento a Phil Moses de los laboratorios Core por proveer estos datos.
Se ha intentado que mayoría de los capítulos del libro sean completos, esto es, al
proveer toda la información requerida, ecuaciones y correlaciones disponibles para un
tópico en particular. Sin embargo, los capítulos 4, 14 y 15 no cumplen este patrón.
El capítulo 4 no muestra todas las ecuaciones de estado disponibles. Solamente
muestra la historia de arte de desarrollar ecuaciones de estado. El capítulo 14 es una
simple introducción a las correlaciones con factor K. El capítulo 15 solo introduce los
cálculos sobre el tópico de ecuaciones de estado y equilibrio gas líquido. La teoría por
debajo de los cálculos es ilustrada; sin embargo, ninguna de las dificultades de
aplicación para petróleos ni ninguna técnica sofisticada es mostrada.
Este libro fue escrito para su uso en clase en una clase de 3 semestres para cuasi
graduados o a nivel junior del currículo de la carrera de ingeniería petrolera. Debido a
que el objetivo secundario ha sido proveer un libro de referencia para practicantes de
la ingeniería petrolera, algunos de estos materiales son innecesarios para preparar a
los estudiantes.
BORRADOR
XXIV
El capítulo 1 puede ser omitido enteramente para aquellos con un buen entendimiento
de la química orgánica. Sin embargo, yo recomiendo que debe ser cubierto en el curso
de ingeniería petrolera porque enfatiza aquellas partes de los cursos de química
llevados con anterioridad los cuales son importantes en la ingeniería petrolera.
Capítulos 4 y 15 no deben ser estudiados en un primer curso de propiedades de los
fluidos. Ellos proveen una introducción dentro del cálculo del equilibrio gas-líquido y
ecuaciones de estado. Normalmente, tales cálculos no son requeridos para
estudiantes no graduados o la mayoría de los ingenieros petroleros. El capítulo 7
contiene material no usualmente necesario para un estudiante. La mayoría del capítulo
14 puede ser también omitido, dejándolo como material de referencia para aquellos
interesados en las correlaciones con factores K.
El texto debe ser presentado en el orden que los capítulos han sido numerados. Los
capítulos 1 al 3 dan materiales de referencia, mayormente cubiertos en los cursos de
física y química previos, que están por debajo de los demás capítulos. El capítulo 2
debe preceder al capítulo 5. El capítulo 3 debe preceder al capítulo 4. El capítulo 5 es
el más importante del texto: establece las etapas de todo lo que le sigue. Los capítulos
6 y 7 son dos capítulos secuenciales de las propiedades del gas que deben ser
antecedidos por los capítulos 3 y 5. Los capítulos 8 al 11 son una secuencia de cuatro
capítulos de cálculos de equilibrio gas líquido que usa material de los capítulos 2 al 8,
10 y 11. Capítulos 16 y 17 son una secuencia de dos capítulos de las propiedades del
agua que más o menos son únicos. Sin embargo, las definiciones en estos capítulos
serán más fácilmente entendidas luego del estudio de los capítulos previos.
El libro puede ser cubierto en un semestre con el siguiente programa: capítulo 1: 4
días de clases; capítulo 2: 4 días; capítulo 3 (omitiendo la teoría cinética): 3 días;
capítulo 5: 2 días; capítulo 6 (omitiendo el valor del calor y el efecto Joule-Thomson): 2
días; capítulo 8: 2 días; capítulo 9: 2 días; capítulo 10: 3 días; capítulo 11: 6 días;
capítulo 12 (omitiendo la vaporización diferencial): 1 día; capítulo 13: 3 días; capítulo
14 (solo presión de convergencia): 1 día; capítulo 16: 2 días; capítulo 17: 2 días. Este
programa deja varias reuniones de clase para el examen u otros tópicos que desee el
instructor.
Una breve discusión de las definiciones usadas en el libro es necesaria.
Fluido se refiere ya sea a gas o a líquido o a ambos. La palabra no tiene otra
connotación especial.
La palabra petróleo se refiere ya sea a líquido o a gas en el sentido de que es el
hidrocarburo que predomina y ocurre naturalmente.
La palabra líquido es usada a través del libro para indicar un petróleo líquido. Significa
petróleo, petróleo crudo, condensado, destilado, según sea el caso. Los varios
cuerpos que supervisan la industria petrolera han tratado de atribuir definiciones
especiales a estos términos. Estas definiciones a menudo son contradictorias y
adicionan confusión al estudio de las propiedades de los fluidos del reservorio.
La palabra petróleo es usada en frases como relación gas-petróleo, tanque de
almacenamiento de petróleo, factor volumétrico de formación del petróleo y
compresibilidad del petróleo debido a su uso común en la industria. En este contexto,
BORRADOR
XXV
petróleo simplemente se refiere al petróleo líquido el cual puede ser el resultado de la
producción de petróleo líquido o condensación de la producción de un reservorio de
gas.
En algunas instancias las frases líquido superficial o tanque de almacenamiento de
líquido son usadas para significar un petróleo líquido que acaba en el tanque de
almacenamiento.
La palabra agua, es usada para agua líquida. En el campo petrolero, el agua es
usualmente muy salina y quizá debería ser llamada salmuera.
Yo uso la palabra gas a través del libro para indicar el gas de petróleo. El uso limitado
ocurre con el término gas natural, significando “un gas de ocurrencia natural que es
predominantemente hidrocarburo”. Otras terminologías (tales como gas de pozo, gas
de petróleo, gas de cabeza de la cañería) se le han dado significados especiales a
través de definiciones regulatorias o contractuales. Frases vagas como estas no son
usadas en este libro. Expresiones como aire o vapor de agua son usadas para otros
gases que no son los gases del petróleo.
Brenda G. Bridges edito este libro. Su competencia, profesionalismo, diligencia y
actitud positiva hicieron que trabajar con ella sea un placer. Ella hizo una importante
contribución para la terminación de esta enorme tarea.
Estoy en deuda con el Grupo Darnell, Forth Worth, por sus excelentes borradores; a
Charles Aufil de la universidad A&M de Texas por su cuidadosa edición de los
borradores del libro; con los empleados de Cawley, Gillespie & Asociados.
(Especialmente Bob Ravnaas y Richard Alexander) por su asistencia y coraje; a Betty
Campbell (ahora tú has visto todo – un Campbel mencionado en un libro escrito por
McIain! No creerán esto en Rocky Glencoe!) Por su paciencia en traducir mi
abominable letra; a Jim Murtha del colegio Marrietta por tomarse el tiempo de escribir
una larga y muy útil critica de la primera edición; Phil Moses, retirado de los
laboratorios Core, por las muchas horas de discusiones amigables y argumentos
encendidos de los cuales yo aprendí mucho; y a John Lee de la universidad A&M de
Texas, John Edd Parker de la Universidad Estatal de Mississippi y Richard Strickland y
Aarón Cawley de Cawley, Gillespie & Asociados, por su amistad continua y coraje.
Toda nuestra industria está endeudada con el anfitrión ingenieros científicos que han
provisto, a través de literatura de ingeniería petrolera, los datos y correlaciones que
son presentados en este libro.
Forth Worth, Texas
William D. McCain, Jr. 1990 BORRADOR
1
1. Componentes de los fluidos
que están normalmente en el
petróleo Los depósitos naturales de petróleo los cuales son encontrados por los ingenieros
petroleros son compuestos por químicos orgánicos. Cuando la mezcla química está
compuesta por molecular pequeñas, es gas a presiones y temperaturas normales. La
Tabla 1 - 1 da la composición típica que ocurre en los gases hidrocarburos.
Cuando la mezcla contiene moléculas más grandes, a presión y temperatura normal
es un líquido. Un petróleo crudo típico contiene miles de diferentes compuestos
químicos y el tratar de separarlos en diferentes químicos es impráctico. Por lo tanto, el
petróleo crudo es normalmente separado en fracciones de crudo de acuerdo al rango
de su punto de ebullición de los compuestos incluidos en cada fracción. La Tabla 1 - 2
da una lista de las fracciones típicas en las que se separa al petróleo crudo.
Los petróleos crudos son clasificados químicamente de acuerdo a las estructuras de
las moléculas grandes en la mezcla. Métodos de clasificación usan una combinación
de las palabras parafínico, nafténico, aromático o asfaltico. Por ejemplo, el petróleo
crudo que contiene una predominancia de moléculas parafínicas contendrá lubricantes
muy finos de la fracción de gas y cera parafínica del residuo. Por otro lado, si las
moléculas más grandes son aromáticos y asfalticos, los componentes más pesados
del petróleo crudo son útiles para el alquitrán, componentes de techado, pavimento
asfaltico y otra aplicaciones parecidas.
Los líquidos obtenidos directamente de diferentes reservorios de petróleo tienen
características ampliamente diferentes. Algunos son negros, pesados y duros, como la
brea, mientras otros con cafés o casi limpios con baja viscosidad y baja gravedad
específica. Sin embargo casi todos los petróleos tienen análisis elementales con los
límites dados en la Tabla 1 - 3.
Tabla 1 - 1 Componentes típicos de los gases de petróleo
Gas natural
Hidrocarburos
Metano 70 – 98%
Etano 1 – 10%
Propano Trazas – 5%
Butanos Trazas – 2%
Pentanos Trazas – 1 %
Hexanos Trazas – ½ %
Heptanos + Trazas – ½ %
No hidrocarburos
Nitrógeno Trazas – 15 %
BORRADOR
2
Dióxido de carbono* Trazas – 5 %
Sulfuro de hidrogeno* Trazas – 3 %
Helio Hasta 5%, usualmente trazas o ninguna
*ocasionalmente los gases naturales son encontrados predominantemente con dióxido de carbono o sulfuro de
hidrogeno
Gas de un pozo que también ha producido petróleo líquido
Hidrocarburos
Metano 45 – 92%
Etano 4 – 21%
Propano 1 – 15%
Butanos ½ – 7%
Pentanos Trazas – 3 %
Hexanos Trazas – 2 %
Heptanos + Trazas – 1½ %
No hidrocarburos
Nitrógeno Trazas – hasta un 10 %
Dióxido de carbono Trazas – 4 %
Sulfuro de hidrogeno Nada - Trazas – 6 %
Helio Nada
Tabla 1 - 2 Fracciones típicas del crudo
Fracción del crudo
Punto de ebullición, ºF (punto de
derretimiento)
Composición química
aproximada
usos
Gas hidrocarburo
1 2C C Gas combustible
Hasta 100 3 6C C Gas licuado, solvente
Gasolina 100 – 350 5 10C C Combustible de motor,
solvente Keroseno 350 – 450
11 12C C Combustible de aviones, material de craqueo
Gasóleo liviano 450 – 580 13 17C C Diesel, combustible para
hornos Gasóleo pesado
580 – 750 18 25C C Aceite lubricante,
combustible para barcos
Lubricantes y ceras
750-950 (100) 26 36C C Aceite lubricante, cera
parafínica, gel de petróleo
Residuos 950+(200+) 36C Breas, componentes de
techado, pavimento asfaltico, coque, preservadores de madera
BORRADOR
3
Tabla 1 - 3 Análisis elemental del petróleo crudo
Elemento Porcentaje en peso
Carbono 84 – 87 Hidrogeno 11 – 14 Azufre 0.06 – 2.0 Nitrógeno 0.1 – 2.0 Oxígeno 0.1 – 2.0
Está consistencia no es tan exacta: recuerde que las moléculas de estos químicos
orgánicos consisten de varias estructuras construidas primariamente de los grupos de
2CH .
Desde que el ingeniero petrolero gasta su vida profesional trabajando con mezclas de
químicos orgánicos, necesita conocer los diferentes tipos de compuestos orgánicos
que son hechos de mezclas. Debe conocer sus nomenclaturas, las relaciones que
tienen unas con otras, los grados de volatilidad y sus grados de reactividad. Por lo
tanto, nuestro estudio de las propiedades de los fluidos del reservorio comienza con
una revisión de los comportamientos de los compuestos que conforman estas mezclas
de petróleo.
Química orgánica
La química orgánica es la química de los compuestos de carbono. El engañoso
nombre orgánico es una reliquia de los días donde los compuestos fueron divididos en
dos clases, inorgánicos y orgánicos, dependiendo de su origen. Los compuestos
inorgánicos son obtenidos de los minerales. Los compuestos orgánicos obtenidos de
material producido por organismos vivos.
Sin embargo, los compuestos orgánicos ahora pueden ser producidos en el
laboratorio, entonces está definición ha perdido su significancia. No obstante, la
definición de orgánico todavía es pertinente debido a que la química de los
compuestos de carbón es más importante para la vida diaria que de cualquier otro
elemento.
Los compuestos derivados de fuentes orgánicas tienen una cosa en común: todos
contienen el elemento carbono. Hoy en día la mayoría de los compuestos de carbono
son sintetizados de otros compuestos orgánicos, aunque hacer compuestos orgánicos
de sustancias inorgánicas como los carbonatos o cianuros es posible.
Dos de las mayores fuentes de material orgánico de las cuales los compuestos
orgánicos pueden obtenerse son el petróleo y el carbón mineral. Ambas fuentes son
orgánicas en el sentido antiguo debido a que ambas son producto de la
descomposición de plantas y animales. Los compuestos orgánicos usualmente son
sintetizados de otros compuestos orgánicos tan importantes para la civilización de hoy
en día.
Curiosamente una rama entera de la química está centrada en un solo elemento. La
principal razón es la fuerza de las uniones carbono-carbono. Largas cadenas de
átomos de carbono, unos unidos con otros, son posibles.
BORRADOR
4
Existen otros elementos (como el boro, silicio y fosforo) que pueden formar cadenas
de átomos unidas unas con otras. El carbono es único debido a que no solo forma
fuertes uniones carbono-carbono sino que también estas uniones permanecen fuertes
cuando los átomos de carbono se unen con otros elementos. Los compuestos de
carbono son estables y relativamente no reactivos químicamente. Esto no se cumple
con los compuestos de otras cadenas de átomos formadas por otros compuestos.
Teoría estructural
Las bases de la química orgánica es la teoría estructural. Esta es concerniente con la
forma en que los átomos son combinados para formar moléculas. Los cientos de miles
de compuestos orgánicos individuales han sido ordenados en un sistema basado en la
estructura de las moléculas de los compuestos.
Moléculas que tienen una estructura similar exhiben propiedades físicas y químicas
similares. Así los químicos orgánicos pueden ser agrupados en familias llamadas
series homologas en las cuales las estructuras moleculares y consecuentemente las
propiedades físicas y químicas son similares.
Unión química
Antes de considerar la estructura de las moléculas, debemos comenzar la discusión
sobre las uniones químicas, las fuerzas que mantienen los átomos unidos en las
moléculas. Hay dos tipo de uniones químicas, la unión iónica y la unión covalente.
Recuerda que cada átomo consiste de un núcleo cargado positivamente rodeado por
electrones cargados negativamente organizados en capas concéntricas. Existe un
máximo número de electrones que pueden ser acomodados en cada capa: dos en la
primera capa, ocho en la segunda capa, ocho o dieciocho en la tercera capa, etc.
La mayor estabilidad es alcanzada cuando la capa externa está completa, como en el
caso del helio, que tiene dos electrones en su primera capa. El helio es inerte.
Ambas uniones, iónicas y covalentes, surgen de la tendencia de los átomos de buscar
su configuración estable de electrones.
Figura 1 - 1-1 Unión Iónica del fluoruro de litio
BORRADOR
5
La unión iónica
La unión iónica resulta de la transferencia de electrones de un átomo hacia otro. Por
ejemplo, considere el compuesto fluoruro de litio. El átomo de litio tiene dos electrones
en su capa interna y un electrón en su capa externa. La pérdida de un electrón de la
capa externa dejara al átomo de litio con solo su capa interna con su máximo de dos
electrones.
El átomo de flúor tiene dos electrones en su capa interna con su máximo de dos
electrones y siete electrones en su capa externa, Figura 1 - 1-1.
El fluoruro de litio es formado por la transferencia de un electrón del litio al flúor. Esto
resulta en que cada ion tenga su capa externa completa, y por lo tanto, le da a cada
ion una configuración estable de electrones. La transferencia de estos electrones deja
al ion litio con una carga positiva y le da al flúor una carga negativa. La atracción
electrostática entre las cargas opuestas de los iones los mantiene unidos. Esta
conexión entre los iones es llamado unión iónica.
La unión covalente
La unión covalente resulta cuando los átomos comparten electrones, como en la
formación de la molécula de hidrogeno. Cada átomo de hidrogeno tiene un solo
electrón; así, al compartir un par de electrones, dos átomos de hidrogeno pueden
completar sus capas de dos. Asimismo, dos átomos de flúor, cada uno con siete
electrones en su capa externa, pueden completar sus capas externas al compartir un
par de electrones. Como con la unión iónica, la fuerza de unión de la unión covalente
es debido a la atracción electrostática. Sin embargo, en la unión covalente, la atracción
es entre los electrones y el núcleo de los átomos que forman el compuesto.
De una forma similar podemos visualizar la unión covalente del agua y el metano.
Uniones en compuestos orgánicos
Las uniones covalentes son las uniones que nos conciernen en nuestro estudio de la
química orgánica. La piedra angular de la estructura de la química orgánica es la unión
tetravalente del átomo de carbono. Con algunas excepciones, los compuestos de
carbono. Independientemente de que la combinación sea entre dos o más átomos de
carbono o entre el carbono y otro elemento.
La unión resulta del compartir dos electrones, como se ilustra por las uniones carbono-
hidrogeno y las uniones carbono-carbono en los compuestos como el etano, este es
llamado unión simple. El átomo de carbono es capaz de formar cuatro uniones
simples.
BORRADOR
6
Sin embargo existen compuestos como el etileno en los cuales dos electrones de cada
átomo de carbono son mutuamente compartidos, por lo tanto producen una unión
consistente de cuatro electrones. Está unión es llamada unión doble.
Además, en algunos compuestos (como el acetileno) tres electrones de cada carbono
son mutuamente compartidos, produciendo así una unión de seis electrones llamada
unión triple.
En el caso de la simple, doble o triple unión, cada átomo de carbono acaba con ocho
electrones en su capa exterior.
Además, un átomo de carbono puede compartir dos o tres electrones con átomos que
nos sean carbono. Ejemplos de esto son las uniones dobles en el dióxido de carbono y
la unión triple en el cianuro de hidrogeno.
Normalmente una simple line recta conectando los símbolos atómicos que representan
una unión simple; dos líneas una unión doble y tres líneas representan una unión
triple. Las formulas estructurales de algunos compuestos de carbono comunes son
mostradas abajo.
Algunas veces formulas condensadas son usadas en las cuales las uniones no son
mostradas.
2Dióxido de Carbono
CO Cianuro de hidrogeno
HCH MetanoCH
2 2Etileno
CH CH Acetileno CHCH
5Acido Acético
CH COOH
Por conveniencia, algunas veces los átomos en una larga cadena son agrupados.
BORRADOR
7
Otro sistema muestra todas las uniones excepto las uniones de hidrogeno, las cuales
se sobre entienden que son simples.
Angulo de las uniones
Normalmente, el átomo de carbono forma sus cuatros uniones así los cuatro átomos
adjuntos yacen en las orillas de un tetraedro regular. Los ángulos entre las uniones
son los mismos que los ángulos del tetraedro 109.5º. Así 109.5º es apreciado como la
valencia normal del ángulo de carbón, como se muestre en la figura 1 – 2. Los átomos
resisten las fuerzas que alteran su ángulo de valencia de su valor normal.
Modelos de pelota y vara de sustancias orgánicas proveyendo un medio conveniente
para estudiar las estructuras de varios componentes orgánicos. Pelotas con agujeros
representan los átomos y las varas representan las uniones covalentes. La figura 1 – 3
muestra dos configuraciones de etano en la cual las bolas oscuras representan el
carbono y las bolas claras representan el hidrogeno. Todos los ángulos de unión son
normales, 109.5º.
Figura 1 - 1-2 Modelo de bolas y varas del metano
BORRADOR
8
Figura 1 - 1-3 Dos configuraciones rotacionales del etano
Figura 1 - 1-4 Modelos de bola y vara para hidrocarburos con enlaces doblados.
BORRADOR
9
Figura 1 - 1-5 Modelos de componentes orgánicos
Los modelos actuales aparentan tener esencialmente una rotación libre sobre la unión
que une los átomos de carbono entonces en los modelos de bolas y varas uno debe
permitir a las varas rotar libremente en los agujeros.
Las configuraciones mostradas en Figura 1 - 1-3 son dos de las configuraciones más
extremas que uno puede esperar de la molécula del etano. La configuración
escalonada es de alguna forma más estable que la configuración eclipsada debido a
que los átomos en una configuración escalonada están lo más lejos que les es posible
unos de otros y así tener la menor interacción.
Uniones dobles y triples son representadas con uniones dobladas formadas con
acopladores flexibles. Sustancias que requieren modelos con uniones dobladas
normalmente se encuentra que son mucho menos estables y, por lo tanto,
químicamente más reactivas que moléculas que pueden ser construidas con varas
rectas. La Figura 1 - 1-4 muestra la unión doble del etileno, la unión triple del acetileno
y las uniones distorsionadas del ciclo-propano.
Moléculas actuales de ninguna manera se ven como los modelos de bolas y varas. La
tenencia común de electrones en las uniones covalentes requiere que los átomos de la
molécula se traslapen como es mostrado en la Figura 1 - 1-5. Sin embargo los
modelos de bolas y varas saciaran nuestro entendimiento de la estructura de la
química orgánica.
Nominación de los químicos orgánicos
Uno de los problemas que enfrentamos en nuestro estudio de la química orgánica es
el aprender el nombre de las diferentes estructuras. La abundancia y complejidad de
las variedades de los compuestos orgánicos hacen este problema particularmente
significativo. Idealmente, cada sustancia orgánica debe tener un nombre
completamente descriptivo y sistemático que represente a su estructura. Una
nomenclatura sistemática está en uso y nosotros la estudiaremos.
Desafortunadamente, el sistema requiere que en vez de largos grupos de palabras y
símbolos, haciendo a los nombres extremadamente difíciles de manejar para su uso
en conversaciones.
Por lo tanto, el nombre sistemático del componente 9-(2, 6, 6-trimetil-1-ciclohexenil)-3,
7-dimetil-2, 4, 6, 8-nonatetraen-1-ol anonadaría una conversación con seguridad, sin
BORRADOR
10
embargo es perfectamente descriptiva. Este compuesto es usualmente llamado
vitamina A.
Basaremos nuestro estudio en el sistema desarrollado por la Unión Internacional de
Pura y Química Aplicada. El sistema es llamado reglas IUPAC. Existen otros sistemas
semi-sistemáticos de nomenclatura y muchos compuestos son conocidos por sus
nombres triviales no sistemáticos o triviales. Estos nombres serán dados
conjuntamente con los nombres IUPAC cuando tales nombres triviales sean
comúnmente usados.
Hidrocarburos
Primero consideraremos estos componentes orgánicos que pueden contener solo dos
elementos, hidrogeno y carbono. Estos compuestos son conocidos como
hidrocarburos. Luego consideraremos los compuestos orgánicos que contienen
oxígeno, nitrógeno o átomos de azufre adicionalmente al hidrogeno y al carbono.
Sobre la base de su estructura, los hidrocarburos son divididos en dos grandes clases,
alifáticos y aromáticos. Los hidrocarburos alifáticos luego son divididos en familias:
alcanos, alquenos, alquinos y sus análogos cíclicos. La Figura 1- 1-6 muestra las
relaciones entre algunas de estas clases y familias de hidrocarburos.
Series homologas
Una familia de químicos orgánicos es conocida como series homologas. Los miembros
de una serie homologa tienen estructuras moleculares similares y tienen propiedades
físicas escalonadas que pueden diferir unas de otras de acuerdo a número de átomos
de carbono en su estructura. Si la serie homologa para la cual un componente
particular es conocido, el químico y las propiedades físicas del compuesto pueden ser
inferidos por la correspondencia con las propiedades de los otros compuestos de la
serie. Por lo tanto, estudiaremos la química orgánica al estudiar las varias familias de
los químicos orgánicos.
Figura 1- 1-6 Clases y series homólogas de los hidrocarburos
Hidrocarburos
Alifáticos
Alcanos Alquenos Alquinos Alifaticos ciclicos
Aromaticos BORRADOR
11
Alcanos
Las series homologas de los hidrocarburos desinados por el nombre alcanos tienen
una formula general 2 2n nC H . Los alcanos son nombrados a través de la combinación
de un prefijo (el cual denota el número de átomos de carbono) y el sufijo –ano (el cual
clasifica al compuesto como un alcano). Los compuestos de esta familia a veces son
llamados hidrocarburos saturados debido a que los átomos de carbono tienen
adheridos con la mayor cantidad de átomos de hidrógeno como les es posible,
entonces, los carbonos están saturados con hidrogeno. Estos alcanos también son
llamados hidrocarburos parafínicos. Los ingenieros petroleros llaman a estos
parafinas. La Tabla 1 - 4 da algunos ejemplos.
Tabla 1 - 4 Alcanos (CnH2n+2)
Numero de átomos de carbono, n Nombre
1 Metano 2 Etano 3 Propano 4 Butano 5 Pentano 6 Hexano 7 Heptano 8 Octano 9 Nonano
10 Decano 20 Eicosano 30 Triacontano
Las formulas estructurales del metano, etano y propano son dadas abajo.
Note que los átomos de carbono forman cadenas continuas. A medida de que el
número de átomos de carbono en el compuesto incrementa, los átomos pueden ser
conectados en cadenas continuas o pueden ser conectados como ramas con más de
dos átomos de carbono conectados conjuntamente. Por lo tanto, el butano puede
tomar cualquiera de las estructuras dadas abajo.
BORRADOR
12
Estas diferentes configuraciones son conocidas como isómeros estructurales o
simplemente isómeros.
La cadena continua de hidrocarburos es conocida como hidrocarburos normales, y el
prefijo n - es usualmente adjunto al nombre. La cadena bifurcada de hidrocarburos
debe tener el prefijo iso – adjunta al nombre. Usualmente el prefijo iso- es reservado
para sustancias con dos grupos metiles adjuntos a los átomos de carbono al final o de
otra forma en el tronco de la cadena. En una cadena recta, cada átomo de carbono
está conectado a no amas de otros dos átomos de carbono. El prefijo neo- denota tres
grupos metiles en un átomo de carbono al final de una cadena. Por ejemplo, los
isómeros del pentano son mostrados abajo.
Obviamente, el sistema de adherir prefijos al nombre del compuesto para denotar la
configuración estructural se convertirá en incomoda a medida que el número de
diferentes configuraciones estructurales incremente. Considere el decano, que tiene
75 isómeros. Una nomenclatura más sistemática es deseable.
El sistema IUPAC está basado sobre los grupos alquil sustituidos sobre las cadenas
principales de los átomos de carbono. Un grupo alquil es simplemente un alcano con
un átomo de hidrogeno que le falta. Por lo tanto, el grupo metil 3CH se ve como el
metano menos un átomo de hidrogeno. Los grupos alquilo son nombrados al usar los
prefijos correspondientes al número de átomos de carbono y el sufijo –il.
BORRADOR
13
Nomenclatura de los Alcanos
El sistema de nomenclatura comúnmente es usado como las reglas IUPAC. Estas
reglas son como sigue a continuación:
1. La cadena más larga de átomos de carbono es tomada como la estructura
sobre las cual los varios grupos alquil son considerados para ser sustituidos.
Así, el próximo hidrocarburo es el pentano.
2. La cadena principal de hidrocarburo entonces es numerada comenzando
desde el fin y los grupos que la sustituyen son números asignados
correspondiendo a su posición en la cadena. La dirección de la numeración en
elegida para dar la menor suma para los números del costado de la cadena
sustituyente. Así, el hidrocarburo que se muestra abajo es el 2, 3-
dimetilpentano.
3. Donde hayan dos sustitutos idénticos en la misma posición, como en el
componente mostrado abajo, los numero son dados para los dos.
4. A los grupos sustituyentes de cadenas bifurcadas les son dados nombres
apropiados por la simple extensión del sistema usado para cadenas bifurcadas
de hidrocarburos. La cadena más larga del sustituyente es numerado
comenzando con el carbón adjunto directamente a la cadena de hidrocarburo
principal.
5. Cuando dos o más sustituyentes diferentes son presentados, el método común
es el de listar los sustituyentes en orden alfabético. Sin embargo, los
sustituyentes son listados en orden de que la complejidad aumente.
BORRADOR
14
Tabla 1- 5 Propiedades físicas de los n-alcanos, CH3(CH2)n-2CH3
n Nombre Punto de
ebullición, ºF Punto de fusión, ºF
Gravedad específica, 60º/60º
1 Metano -258.7 -296.4 2 Etano -127.5 -297.0 3 Propano -43.7 -305.7 0.507 4 Butano 31.1 -217.1 0.584 5 Pentano 96.9 -201.5 0.631 6 Hexano 155.7 -139.6 0.664 7 Heptano 209.2 -131.1 0.688 8 Octano 258.2 -70.2 0.707 9 Nonano 303.5 -64.3 0.722 10 Decano 345.5 -21.4 0.734 11 Undecano 384.6 -15 0.740 12 Dodecano 421.3 14 0.749 15 Pentadecano 519.1 50 0.769 20 Eicosano 648.9 99 30 Triacontano 835.5 151
Propiedades físicas y químicas de los alcanos
Las series de cadenas rectas dadas en la Tabla 1- 5 muestran una remarcable
graduación de propiedades físicas. Como el tamaño molecular incrementa, cada grupo
adicional CH2 contribuye con un incremento mediano del punto de ebullición y la
gravedad especifica. El grupo adicional de grupos CH2 tambien causa un incremento
en el punto de fusión pero los incrementos no son tan constantes como los puntos de
ebullición. Vea que los puntos de ebullición del metano y el etano no siguen este
patrón de los otros puntos de ebullición listados en la Tabla 1- 5. Las moléculas más
pequeñas de una serie homologa a menudo tienen propiedades físicas que no se
ajustan a este patrón mostrado por las moléculas más grandes.
Los primeros cuadro alquenos son gases a presiones y temperaturas normales. Como
un resultado del decremento de la volatilidad mientras incrementa el número de
átomos de carbono, los 13 siguientes, del pentano hasta el heptadecano, son líquidos.
Los alcanos que contienen 18 o más átomos de carbono son sólidos a presiones y
temperaturas normales. La Figura 1 -1-7 muestra los cambios en el punto de
ebullición, gravedad específica y puntos de fusión para los alcanos de cadena recta.
Los puntos de ebullición y fusión de los alcanos son medianamente bajos,
particularmente en el caso de los pequeños miembros de la familia. Esto es porque las
moléculas son altamente simétricas, y por lo tanto la atracción entre molécula,
conocida como fuerzas intermoleculares, son mucho más pequeñas. Como los
procesos de ebullición y fusión vencen estas fuerzas intermoleculares, los puntos de
fusión y ebullición de los alcanos son bajos. Los puntos de ebullición y fusión son
mayores para moléculas grandes debido a que las fuerzas intermoleculares son
mayores entre las moléculas.
El incremento en los puntos de fusión no es tan regular como los puntos de ebullición
debido a las fuerzas intermoleculares en un sólido no solo dependen del tamaño de las
moléculas sino sobre que tan bien las moléculas caben en la cuadricula del cristal.
BORRADOR
15
Las cadenas bifurcadas de los alcanos no exhiben la misma graduación suave de sus
propiedades físicas como los alcanos de cadena recta.
Figura 1 -1-7 Dependencia de algunas propiedades físicas sobre el número de átomos de carbono para una cadena recta de alcanos (datos de la tabla A - 1)
Diferencias en la estructura causan diferencias en las fuerzas intermoleculares. Así
hay diferencias en los puntos de ebullición y fusión entre los isómeros de un alcano en
particular. La Tabla 1 - 6 muestra las propiedades físicas de los isómeros del hexano.
Un incremento en la bifurcación causa un decremento en la atracción intermolecular,
con el resultado de puntos de ebullición más bajos.
Tabla 1 - 6 Algunas propiedades físicas de los isómeros del hexano
Isómero Estructura Punto de
ebullición, ºF Punto de fusión, ºF
Gravedad especifica
60º/60º
n-Hexano 155.7 -139.6 0.664
3-Metilpentano
145.9 -180.4 0.669
2-Metilpentano (Isohexano)
140.5 -244.6 0.658
2, 3-Dimetilbutano
136.4 -199.4 0.665
2, 2-Dimetilbutano (neohexano)
121.5 -147.7 0.654
BORRADOR
16
Incrementos en la bifurcación cambian la forma en que las moléculas caben en la
cuadricula cristalina del sólido, causando que los puntos de fusión de los isómeros
difieran.
Químicamente los alcanos son particularmente inertes. El nombre parafina literalmente
quiere decir afinidad no suficiente. Las fuertes uniones entre el carbono y el hidrogeno
y entre el carbono y el carbono son atacados solo por reactivos muy fuertes a
temperaturas ordinarias.
Todos los hidrocarburos son atacados por el oxígeno a temperaturas elevadas. Si
suficiente oxigeno está presente, la combustión completa a dióxido de carbono y agua
ocurre. Esto es particularmente importante desde que los alcanos son los mayores
constituyentes del gas natural y el uso principal del gas natural es la combustión.
Alquenos
Las series homologas conocidas como los alquenos son llamados tambien
hidrocarburos insaturados u olefinas. La fórmula general para la familia de los
alquenos es 2n nC H . La característica distintiva de la estructura del alqueno es la unión
doble carbono-carbono que, como discutimos previamente, es una unión de cuatro
electrones formada al compartir dos electrones de cada dos átomos de carbono.
Nomenclatura de los Alquenos
Los nombres de los alquenos son formados con los mismos prefijos usados para
nombrar a los alcanos. Estos prefijos corresponden al número de átomos de carbono
en el compuesto. El sufijo es –eno, que indica que el compuesto pertenece a la familia
de los alquenos. Así el miembro más simple de la familia de los alquenos, 2 4C H ,
deberá ser llamado eteno. Eteno es comúnmente conocido como etileno, Figura 1 -
1-8. el siguiente miembro de la familia, propeno, comúnmente llamado propileno.
Figura 1 - 1-8 Modelo de bola y vara del etileno
Las reglas de la IUPAC para nombrar a los alquenos son las siguientes:
1. Seleccione como la estructura principal la cadena continua más larga que
contenga uniones carbono-carbono dobles; luego considere el compuesto que
debe ser derivado de su estructura por desplazamiento de átomos de
hidrogeno por varios grupos alquil.
BORRADOR
17
2. Indique con un número la posición de la unión doble en la cadena principal.
Designe la posición de la unión doble con la numero de la primera unión doble
encontrada cuando se numera desde el fin de la cadena más cercano a la
unión doble. Así, el siguiente compuesto es 1-buteno en vez de 3-buteno.
3. Indique la posición de los grupos alquil adjuntos a la cadena principal por el
número de átomos de carbonos al cual el grupo alquil está adjunto.
Considere los alquenos que pueden contener 4 carbonos. Existen muchas
posibilidades. La unión doble puede ser localizada entre el primer y segundo
carbono desde el final de la cadena o entre el segundo y tercer carbono. La
posición de la unión doble y la bifurcación se combinan para dar las tres
estructuras mostradas abajo.
Sin embargo, hay verdaderamente cuatro alquenos de la formula 4 8C H . Sus
propiedades físicas son mostradas en la Tabla 1 - 7.
Tabla 1 - 7 Algunas propiedades físicas de los butilenos
Nombre
Punto de ebullición,
ºF Punto de fusión, ºF
Gravedad especifica
60º/60º
Índice refractario
(-12.7º)
Isobuteno 19.6 -220.6 0.600 1.3727 1-buteno 20.8 -301.6 0.601 1.3711 Trans-2-buteno 33.6 -158.0 0.610 1.3778 Cis-2-buteno 38.7 -218.1 0.627 1.3868
BORRADOR
18
Hemos, desarrollado un entendimiento de isomerismo estructural, la cadena recta
y la cadena bifurcada. Hemos visto una isomerización estructural conectada con la
ubicación de la doble unión. Debemos reconocer otro tipo de isomerismo – el
isomerismo geométrico, tambien llamado diastereomerismo o simplemente
isomerismo cis-trans.
Considere las dos configuraciones de la 2-buteno en la Figura 1 - 1-9 y recuerde
que la unión doble carbono-carbono no permite la rotación de los átomos de
carbono. Fíjese que en un caso los dos grupos metiles están localizados en el
mismo lado de la estructura básica mientras en el otro caso el grupo metil está
localizado sobre lados opuestos de la estructura. Estas dos moléculas exhiben
isomerización geométrica por la forma en la que los átomos están orientados en el
espacio, aunque sin embargo ellos están por igual con respecto a las conexiones
de los átomos. Estos dos compuestos son conocidos como estereoisomeros. La
configuración es diferenciada en sus nombres por los prefijos cis- y trans-.
El prefijo cis- en Latín significa en este lado, y trans es el Latín para al otro lado.
Figura 1 - 1-9 Modelos de vara y bolas de cis- y trans-2-buteno.
Propiedades físicas y químicas de los alquenos
Las propiedades físicas de los alquenos son muy parecidas a las propiedades físicas
de los alcanos. La Tabla 1 - 8 da comparaciones de los puntos de fusión, puntos de
ebullición y gravedades específicas de los alquenos simples. Así como los alcanos,
estas propiedades físicas incrementan con el incremento del contenido de carbono.
La Figura 1 - 1-8 muestra el modelo de bolas y varas del etileno. Obviamente las
uniones carbono-carbono no satisfacen el ángulo normal de unión del tetraedro de
109.5º. Esto indica que las uniones dobles son menos estables que las uniones
simples y son, por lo tanto, más probables de ser atacados por otro químicos.
Así, los alquenos, debido a sus uniones dobles, son más reactivos que los alcanos. La
mayoría de las reacciones de los alquenos conllevan la eliminación de la unión doble y
la formación de dos fuertes uniones simples.
BORRADOR
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Tabla 1 - 8 Algunas propiedades físicas de los alquenos
Nombre Formula Punto de
ebullición, ºF Punto de fusión, ºF
Gravedad específica,
60º/60º
Etileno 2 2CH CH -154.7 -272.5
Propileno 2 3CH CHCH -53.6 -301.4
1-buteno 2 2 3CH CHCH CH 20.8 -301.6 0.601
1-penteno 2 2 32CH CH CH CH 85.9 -265.4 0.646
1-hexeno 2 2 33CH CH CH CH 146 -216 0.675
1-hepteno 2 2 34CH CH CH CH 199 -182 0.698
1-octeno 2 2 35CH CH CH CH 252 -155 0.716
1-noneno 2 2 36CH CH CH CH 295 0.731
1-deceno 2 2 37CH CH CH CH 340 0.743
Alcadienos, alcatrienos y alcatetraenos
Muchos compuestos hidrocarburíferos contienen dos o más uniones dobles. Estos son
conocidos como alcadienos, alcatrienos y alcatetraenos, con el sufijo que denota el
número de uniones dobles. La localización de cada unión doble es especificada por los
números apropiados como se muestra abajo.
Estos compuestos, son conocidos como diolefinas, triolefinas, etc. Además, los
alcadienos son tambien comúnmente conocidos como dienos. Los dienos tiene una
formula general 2 2n nC H , la cual indica un mayor grado de no saturación mayor que
los alquenos.
Químicamente, estos compuestos son tan reactivos como los alquenos. Físicamente,
las propiedades de estos compuestos son similares a los alcanos con el
correspondiente número de átomos de carbono.
Alquinos
La característica que distingue la estructura de los alquinos es la triple unión carbono-
carbono. La fórmula general para los alquinos es 2 2n nC H , la cual es la misma fórmula
general que la de los dienos. Sin embargo, los alquinos y dienos tienen diferentes
grupos funcionales y por lo tanto diferentes propiedades.
BORRADOR
20
Nomenclatura de los alquinos
Las reglas de la IUPAC son exactamente las mismas para nombras a los alquinos
como lo fueron para los alquenos excepto que el sufijo –ino remplaza el –eno.
La estructura principal es la cadena más continua más larga que contiene la unión
triple, y la posición de ambos, los sustituyentes y la triple unión, son indicados con
números. De acuerdo con este sistema el alquino más simple debe ser llamado etino;
sin embargo, este compuesto es comúnmente llamado acetileno. Los otros alquinos
son usualmente llamados de acuerdo al sistema IUPAC.
Características físicas y químicas de los alquinos
Los alquinos tienen características físicas esencialmente las mismas que la de los
alcanos y alquenos. La Tabla 1 - 9 da las propiedades físicas de algunos de los
alquinos. Las tendencias en los puntos de fusión y ebullición son de nuevo aparentes.
Químicamente los alquinos se parecen mucho a los alquenos. Ambas familias son
mucho más reactivas que la de los alcanos. Desde que la triple unión parece ser más
tensa de alguna manera más que la unión doble, debería parecer químicamente más
inestable. Sin embargo, por razones que no son completamente entendidas, la unión
triple carbono-carbono es menos reactiva que la unión doble unión carbono-carbono
algunos reactantes son más reactivos que otros reactantes.
Como con los alquenos, la mayoría de las reacciones químicas de los alquinos
envuelven la eliminación de la triple unión a favor de una doble y una simple unión.
Normalmente las reacciones continúan así que la doble unión es eliminada a favor de
dos uniones simples.
Tabla 1 - 9 Algunas características físicas de los alquinos
Nombre Formula
Punto de ebullición,
ºF
Punto de
fusión, ºF
Gravedad específica,
60º/60º
Acetileno HC CH -120 -114
Propino 3HC CCH -9 -151
1-butino 2 3HC CCH CH 48 -188
1-pentino 2 32HC C CH CH 104 -144 0.695
1-hexino 2 33HC C CH CH 162 -191 0.719
1-heptino 2 34HC C CH CH 212 -112 0.733
1-octino 2 35HC C CH CH 259 -94 0.747
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1-nonino 2 36HC C CH CH 304 -85 0.763
1-decino 2 37HC C CH CH 360 -33 0.770
2-butino
3 3CH C CCH 81 -11 0.694
2-pentino 3 2 3CH C CCH CH 131 -150 0.714
3-metil-1-butino 3 2HC CCH CH 84 0.665
2-hexino 3 2 32CH C C CH CH 183 -134 0.730
3-hexino 3 2 2 3CH CH C CCH CH 178 -60 0.725
3,3-dimetil-1-butino 3 3HC CC CH 100 -114 0.669
4-octino 3 2 2 32 2CH CH C C CH CH 268 0.748
5-decino 3 2 2 33 2CH CH C C CH CH 347 0.759
Hidrocarburos cicloalifáticos
Los átomos de carbono en los compuestos que hemos estudiando en secciones
previas de este capítulo están adjuntos unos con otros para formar cadenas. Sin
embargo, en muchos compuestos de hidrocarburos los átomos de carbono son
ordenados como anillos. Estos con llamados compuestos cíclicos. Está sección
considera a los cicloalcanos y cicloalquenos.
Cicloalcanos
Los cicloalcanos son tambien conocidos como naftenos, cicloparafinas o hidrocarburos
alicíclicos. En la industria petrolera está clase de hidrocarburos es conocida como
naftenos. Los naftenos tienen anillos saturados. La fórmula general para el anillo sin
sustituyentes es 2n nC H . Esta es la misma que la de la fórmula general para la serie
de los alcanos; sin embargo, la configuración estructural difiere completamente y, así,
las características físicas y químicas no son del todo similares.
La mayoría de los cicloalcanos son ciclohexanos y ciclopentanos.
Nomenclatura de los cicloalcanos
Son nombrados con el prefijo ciclo- añadido al nombre del alcano que tiene el mismo
número de tomos de carbono en su cadena.
BORRADOR
22
Los sustituyentes sobre los anillos son nombrados y sus posiciones indicadas por
números. La menos combinación posible es usada.
Por conveniencia, los anillos parafínicos son a menudo representados por sus simples
figuras geométricas como se muestra abajo. Cada esquina de una figura representa u
átomo de carbono, y la valencia de carbono es satisfecha con átomo de hidrogeno que
no son mostrados.
Propiedades físicas y químicas de los cicloalcanos
La Tabla 1 - 10 da las propiedades físicas de los cicloalcanos. De nuevo vemos las
series homologas con cambios razonablemente regulares en los puntos de ebullición,
puntos de fusión y gravedades específicas.
Tabla 1 - 10 Alguna propiedades físicas y químicas de los cicloalcanos
Nombre Punto de
ebullición, ºF Punto de fusión, ºF
Gravedad específica, 60º/60º
Ciclopropano -27 -197 Ciclobutano 55 -112 Ciclopentano 121 -137 0.750 Ciclohexano 177 44 0.783 Cicloheptano 244 10 0.810 Ciclooctano 300 57 0.830 Metilciclopentano 161 -224 0.753 Cis-1,2-dimetilciclopentano 210 -80 0.772 trans-1,2-dimetilciclopentano 198 -184 0.750 Metilciclohexano 214 -196 0.774
BORRADOR
23
Ciclopenteno 115 -135 0.774 1,3-ciclopentadieno 108 -121 0.798 Ciclohexeno 181 -155 0.810 1,3-ciclohexadieno 177 -144 0.840 1,4-ciclohexadieno 189 -56 0.847
A diferencias de la mayoría de las series homologas, los diferentes miembros de la
familia de los cicloalcanos exhiben diferentes reactividades químicas. Ya hemos visto
que la reactividad química es relacionada con la tensión de la unión carbono-carbono y
que idealmente las uniones de los carbono deben tener ángulos de unión de 109.5º.
Como existe una diferencia en la reactividad entre las diferentes cicloparafinas,
comenzamos con la menos reactiva – el ciclohexano. Si el ciclohexano existiera como
un hexágono plano, el ángulo de unión seria 120º. Sin embargo, toma una estructura
arrugada como se muestra en las dos configuraciones de la Figura 1 - 1-10. Así la
estabilidad de las uniones es la misma que en las cadenas rectas de alcanos.
Los cinco átomos de carbono del Ciclopentano forman un pentágono plano regular con
ángulos internos de 108º, los cuales son muy cercanos a las uniones normales
carbono-carbono. La verdad, las moléculas del Ciclopentano no son exactamente
planas; sin embargo, los ángulos de unión son suficientemente cercanos al ángulo
normal así que estas uniones son sustancialmente tan estables como las del
ciclohexano.
El Ciclobutano y el Ciclopropano tienen ángulos considerablemente más pequeños
que el ángulo normal de 109.5º, y la tensión del ángulo es grande. Vea la Figura 1 -
1-4. Estos compuestos son mucho más reactivos que el Ciclopentano y el ciclohexano;
usualmente la resquebradura de la unión carbono-carbono para abrirle paso a un
compuesto de cadena abierta que tenga los ángulos normales. El Ciclobutano y el
Ciclopropano no son encontrados en las mezclas de los petróleos naturales.
Figura 1 - 1-10 Dos configuraciones del ciclohexano con ángulos de unión de 109.5º (hidrógenos omitidos)
BORRADOR
24
Figura 1 - 1-11 Modelos de bolas y varas de los isómeros cis y trans del 1,2-dimetilciclopropano
Los anillos del carbono siete y mayores pueden lograr configuraciones que tienen
ángulos de unión cercanos a los normales. Está indica que los anillos grandes son
razonablemente estables químicamente. Sin embargo, los anillos con siete o más
carbono no son particularmente comunes, probablemente debido a que existe muy
poca probabilidad que una cadena larga con el grupo reactivo propia a ambos
extremos vaya a doblarse en una posición que le permita una reacción en forma de
anillo.
El isomerismo cis-trans ocurre en cicloalcanos di-sustituidos como se ve en la Figura 1
- 1-11.
Anillos condensados
Las cicloparafinas pueden tener más de un anillo, con anillos que comparten átomos
de carbono. Estos son llamados anillos condensados. Un componente común de este
tipo de bicliclodecano, es llamado decalin. Otras estructuras de anillo condensado
comúnmente encontradas en el petróleo son mostradas.
Cicloalcanos y Cicloalcadienos
Los compuestos orgánicos con los cuales los átomos de carbono están unidos
conjuntamente para formar un anillo con una o dos uniones dobles presentes en el
anillo son llamados cicloalquenos y cicloalcadienos. Estos hidrocarburos son
nombrados con el prefijo ciclo- a sus nombres de cadena de hidrocarburo abierta que
tienen el mismo número de carbonos y el mismo número de uniones dobles. Los
átomos de carbono en el anillo son numerados así una unión doble es considerada a
ocupar posiciones 1 y 2.
BORRADOR
25
.Los cicloalquenos y cicloalcadienos son casi tan reactivamente químicos como sus
análogos de cadenas abiertas. Los cicloalquenos pueden experimentar reacciones de
resquebraduras que hacen que el anillo se abra formando una cadena.
Aromáticos
Los compuestos aromáticos (tambien llamados arenos) incluido el benceno y los
compuestos que se parecen al benceno en su comportamiento químico. Aquellas
propiedades del benceno que lo distinguen de los hidrocarburos alifáticos son
llamadas propiedades aromáticas. Usualmente las estructuras de los compuestos
aromáticos son formadas con el benceno como la estructura principal, sin embargo un
puñado de compuestos que poseen propiedades aromáticas tienen estructuras que
difieren de la estructura del benceno.
Obviamente, cualquier estudio de la estructura de los compuestos aromáticos deben
comenzar con el estudio del benceno. El benceno es único en que las uniones entre
los átomos de carbono en el benceno no parecen seguir la teoría de las uniones
covalentes que hemos desarrollado hasta aquí.
Benceno
El benceno es una molécula plana con seis átomos de carbono ordenados en un anillo
hexagonal. Seis átomos de hidrogeno, uno asociado con cada carbono, radiado hacia
fuera del anillo. La molécula es plana y simétrica así que todas las uniones están a
120º. Al principio los químicos pensaban que el benceno debe tener una estructura tal
como aparentaba, la del ciclohexano. Sin embargo, como hemos visto de nuestro
estudio de los cicloalquenos y cicloalcadienos, si el benceno tuviera esa estructura,
sus propiedades químicas deberían ser similares a su alcatrieno correspondiente:
1,3,5-hexatrieno.
Si el benceno tuviera la estructura que se postula, sería muy reactivo experimentaría
reacciones que causarían que el anillo se saturara o se quebrara en las posiciones con
doble unión.
Esto, de hecho, no pasa. El anillo de benceno es una estructura muy estable que
puede ser envuelta en varias reacciones en las cuales los productos de la reacción
mantendrían el anillo bencénico. Así las uniones en los anillos del benceno deben ser
mucho más estables que los de doble unión.
Uniones del benceno
Muchas estructuras de unión han sido propuestas para el benceno y ninguna forma ha
sido como completamente satisfactoria. Probablemente la mejor explicación es que los
BORRADOR
26
electrones están localizados encima de todos los seis núcleos de carbono. Así el
benceno no tiene tras uniones simples carbono-carbono. En vez, la molécula del
benceno contiene seis uniones idénticas, cada una intermedia entre una simple y una
doble unión. Este tipo de unión ha sido llamada una unión hibrida, una y media unión,
o simplemente una unión bencénica. Normalmente dibujamos el anillo de benceno
como abajo. Cada una de las esquinas representa un átomo de carbono y cada átomo
de carbono está unido a un átomo de hidrogeno.
Adicionalmente, está entendido que las tres uniones dobles y tres uniones simples
indicadas en la unión no representan la estructura de la unión actual, pero por eso las
uniones son uniones hibridas.
Otros símbolos como se ve abajo son representaciones del anillo de benceno.
Sin embargo, la convención normal es el de usar la representación de doble uniones
simples.
Nomenclatura de los hidrocarburos aromáticos
Desafortunadamente, un método completamente sistemático para nombrar a los
compuestos aromáticos no está en uso. El sistema usado es la combinación de
nombres triviales y el sistema IUPAC. Algunas veces los compuestos que contienen
anillos bencénicos son considerados para ser bencenos sustitutos, en cuyo caso la
palabra benceno aparece en el nombre del compuesto junto con el nombre del
sustituyente.
A veces el anillo de benceno es considerado como un sustituyente; en estos casos es
llamado un grupo fenil. BORRADOR
27
Muchos de los compuestos aromáticos tienen nombres triviales.
Cuando hay dos o más sustituyentes sobre un anillo de benceno, puede existir
isomerización estructural. Por lo tanto, hay tres posibles isómeros de xileno
(dimetilbenceno). Los isómeros son comúnmente designados como orto, meta y para.
Una letra (o, m o p) designa la posición isomérica.
Un amplio rango de compuestos aromáticos tienen anillos bencénicos en la posición
orto. Estos son llamados anillos condensados. Note que la numeración de los átomos
de carbono para el propósito de localizar los grupos sustituyentes. Los aromáticos
condensados tienen la siguiente fórmula 4 2 2 4r rC H para anillos sin sustituyentes
donde, r=número de anillos.
BORRADOR
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Tabla 1 - 11 algunas propiedades físicas de los hidrocarburos aromáticos-alifáticos
Nombre Formula
Punto de ebullición,
ºF
Punto de
fusión, ºF
Gravedad específica,
60º/60º
Benceno 6 6C H 176 42 0.884
Tolueno 6 5 3C H CH 231 -139 0.872
o-xileno 6 4 3 21,2 C H CH 292 -14 0.885
m-xileno 6 4 3 21,3 C H CH 282 -54 0.869
p-xileno 6 4 3 21,4 C H CH 281 56 0.866
Hemimetillieno 6 3 3 31,2,3 C H CH 349 -13 0.895
Pseudodocumeno 6 3 3 31,2,4 C H CH 336 -47 0.876
Mesitileno 6 3 3 31,3,4 C H CH 331 -49 0.864
Prehniteno 6 2 3 41,2,3,4 C H CH 401 20 0.902
Isodureno 6 2 3 41,2,3,5 C H CH 387 -11
Dureno 6 2 3 41,2,3,5 C H CH 383 176
Pentametilbenceno 6 3 5C H CH 448 127
Hexametilbenceno 6 3 6C H CH 507 329
Etilbenceno 6 5 2 5C H C H 277 -139 0.872
n-propilbenceno 8 5 2 2 3C H CH CH CH 318 -146 0.862
Cumeno 6 5 3 2C H CH CH 306 -141 0.866
n-butilbenceno 6 5 2 23C H CH CH 361 -114 0.660
Isobutilbenceno 6 5 2 3 2C H CH CH CH 340 0.867
sec-butilbenceno 6 5 2 3 2 5C H CH CH C H 344 -177 0.864
tert-butilbenceno 6 5 3 2 5C H CH CH C H 336 -72 0.867
p-cimeno 3 6 4 3 21,4 CH C H CH CH 351 -94 0.857
BORRADOR
29
Bifenil 6 5 6 5C H C H 491 158
Difenilmetano 6 5 2 6 5C H CH C H 505 79
Trifenilmetano 6 5 3C H CH 680 199
1,2-dimetilmetano 6 5 2 2 6 5C H CH CH C H 543 126
Estireno 6 5 2C H CH CH 293 -23 0.911
trans-stilbeno 6 5 6 5trans C H CH CHC H 585 255
Cis-stilbeno 6 5 6 5cis C H CH CHC H 43
Unsym-difeniletileno 6 5 22C H C CH 531 48 1.02
Trifeniletileno 6 5 6 52C H C CHC H 163
Tetrafeniletileno 6 5 6 52 2C H C C C H 797 441 0.930
Fenilacetileno 6 5C H C CH 288 -49
Difenilacetileno 6 5 6 5C H C CC H 572 144
Propiedades físicas y químicas de los hidrocarburos aromáticos
Muchos de los compuestos que contienen anillos de benceno tienen olores muy
agradables y por esta razón son llamados hidrocarburos aromáticos. Estos
compuestos, sin embargo, son generalmente algo tóxicos; algunos son cancerígenos.
La inhalación de los hidrocarburos aromáticos debe ser evitada. Una lista de los
compuestos aromáticos más comunes y sus propiedades físicas son dados en la
Tabla 1 - 11.
Las relaciones inusuales entre las propiedades físicas y el tamaño molecular son
evidentes. Además, el efecto de la simetría molecular puede verse, particularmente en
el caso de los xilenos. El punto de fusión del p-xileno es considerablemente mayor que
los puntos de fusión del o-xileno y el m-xileno.
Como ya hemos notado las uniones hibridas de los anillos bencénicos tienen la misma
estabilidad que de las uniones simples carbono-carbono encontradas en los alcanos.
Los compuestos aromáticos pueden entrar en muchas reacciones sin que se afecte la
estructura del anillo. Los aromáticos volátiles son altamente inflamables y arden con
una luminosa, hollinienta llama en contraste con los alcanos y alquenos, que arden
con una llama azulada, dejando pocos residuos de carbón.
Cicloalcanoaromaticos
Muchas de las moléculas grandes encontradas en el petróleo son anillos condensados
consistentes de cicloparafinas y aromáticos. Estos compuestos son llamados
cicloalcanoaromaticos o nafteno-aromáticos. Los dos compuestos más pequeños de
esta clase son el lindano y el tetrahidronaftaleno (tetralín).
BORRADOR
30
Compuestos de este tipo a menudo tiene un componente parafínico en el cual uno o
más grupos alquil, usualmente metil, son adheridos a los anillos de carbono.
Otros compuestos orgánicos
Los químicos orgánicos estudiados hasta ahora en el texto son conocidos como
hidrocarburos, ya que las moléculas contienen solo átomos de carbono e hidrogeno.
Existen muchas otras familias de compuestos orgánicos que son compuestos de las
estructuras básicas que hemos estudiado; sin embargo, sus moléculas contienen
átomos aparte del carbono e hidrogeno. La Tabla 1 - 12 lista estas familias junto con
sus grupos funcionales por el cual son caracterizadas estas familias. Estas familias no
deben ser estudiadas en destalle debido a que están presentes solo en una cantidad
limitada en los depósitos naturales de petróleo.
Tabla 1 - 12 Clasificación de los compuestos orgánicos de acuerdo a sus grupos funcionales
Ejemplo típico
Clase de compuesto Grupo funcional Fórmula Nombre
Alqueno 1-buteno Alquino Metilacetileno Alcohol OH Ciclobutanol
Éter
Metil etil éter
Halido F, Cl, Br o I Ciclopentil cloruro
Aldehído
Propionaldehído
Acetona
2-butanona
Acido carbólico
n-ácido pentanoico
Amina Metilamina
BORRADOR
31
Compuesto nitroso
2-nitropropano
Nitrilo Acetonitrilo
Órgano metálico
n-butil litio
Las clases listadas en la Tabla 1 - 12 son familias que exhiben la misma regularidad
en los puntos de ebullición, puntos de fusión, densidades y otras propiedades vistas en
las familias de hidrocarburos que ya hemos estudiado. Algunas de las familias son
nombradas con sufijos característicos mientras otras tienen sufijos o hasta palabras
separadas en el nombre. Por lo tanto, los alcoholes son nombrados con el sufijo –ol.
Acetonas son nombrados con el sufijo –ona. Aminas y nitrilos son nombrados con el
sufijo completo de acuerdo al nombre de la familia. Éteres y halídos usualmente el
nombre completo de la familia como un nombre separado y los nitro- y compuestos
organometálicos tienen el prefijo nitro. O el prefijo correspondiente a la partes del
hidrocarburo de la molécula organometálica.
Información adicional sobre estos compuestos orgánicos puede ser obtenida en
cualquier libro de química orgánica básica.
Muchos compuestos tienen dos o más grupos funcionales dados en la Tabla 1 - 12.
Varios ejemplos de estos compuesto polifuncionales son dados abajo.
Componentes no hidrocarburos del petróleo
Nitrógeno, dióxido de carbono y sulfuro de hidrogeno son constituyentes no
hidrocarburos comunes del petróleo. Los tres son moléculas livianas y mayormente
son gases en la superficie. El hidrogeno y el helio son encontrados en algunos gases
naturales. La Tabla 1 - 1 muestra las cantidades típicamente encontradas de estos no
hidrocarburos en los gases de petróleo.
BORRADOR
32
Los petróleos tambien contienen compuestos en los cuales el sulfuro, oxígeno y otros
átomos de nitrógeno son combinados con el carbono y el hidrogeno. Estos elementos
usualmente son combinados con estructuras complejas de anillo que constituyen a las
moléculas más grandes del petróleo. Estos largos compuestos forman una clase de
químicos llamados resinas y asfaltenos. La cantidad es estos compuestos en el
petróleo a menudo es muy pequeña; sin embargo, como mucho el 50% del total de las
moléculas en algunos petróleos crudos son resinas y asfaltenos.
Compuestos sulfurosos
Los compuestos sulfurosos forman el grupo más largo de no hidrocarburos en el
petróleo. Los petróleos crudos varían considerablemente en su contenido de sulfuros.
Algunos tienen extremadamente bajo contenido de sulfuros con menos del 0.1 por
ciento en peso. Sin embargo, crudos altamente sulfurosos pueden tener tanto como
cinco a siete por ciento de sulfuro. Debido a que el sulfuro es solo una pequeña parte
de la molécula más grande, un petróleo crudo con un contenido de sulfuro de cinco por
ciento en peso puede por cierto tener átomos de sulfuro como una parte de más de la
mitad del total de las moléculas.
En general, la cantidad de sulfuro incrementa a medida de que la densidad del
petróleo incrementa. Los compuestos de sulfuro envenenan los catalizadores
metálicos usados en los procesos de refinamiento. Hay límites legales y contractuales
sobre la cantidad de sulfuro contenido en la mayoría de los productos. Así, la refinería
debe remover o destruir los compuestos de sulfuro en el crudo para alcanzar un nivel
aceptable.
Sulfuro de hidrogeno
El sulfuro de hidrogeno, 2H S , es un gas incoloro que tiene un punto de ebullición de -
76.5ºF y tiene un olor extremadamente malo. Los gases naturales que contienen
cantidades muy pequeñas de sulfuro de hidrogeno tienen olores muy desagradables.
El sulfuro de hidrogeno es venenoso; respirar gases en cantidades moderadas de
sulfuro de hidrogeno puede ser fatal.
El sulfuro de hidrogeno es usualmente removido del gas natural por absorción con
etanolamidas. Algunos gases naturales que contienen altas concentraciones de
sulfuro de hidrogeno son usados en la producción de azufre.
Mercaptanos
Los mercaptanos tienen una fórmula general, RSH, en la cual la R representa
cualquier grupo orgánico. Los mercaptanos son tambien conocidos como tioles.
En general, los mercaptanos tienen un olor más desagradable que el sulfuro de
hidrogeno. Por ejemplo, el butanotiol es un componente de la secreción del zorrillo y el
propanotiol es un componente del vapor de la cebolla recientemente cortada.
BORRADOR
33
La mayoría de los materiales orgánicos naturales que tienen olores fuertes, sean
agradables o desagradables, contienen ya sea mercaptanos o sulfuros de alquil.
Varios mercaptanos han sido hallados en el petróleo crudo y el olor que es contribuido
por pequeñas cantidades de estos materiales les confiere el nombre de petróleo crudo
agrio.
Sulfuros de alquil
Los sulfuros de alquil tienen como fórmula general RSR. Los sulfuros de alquil tambien
son llamados tío éteres o monosulfuros. Los sulfuros de alquil forman el ingrediente
principal en muchas de las especias usadas al cocinar. Por lo tanto, el allilsulfuro es el
principal constituyente del ajo.
Los sulfuros de alquil son encontrados en el petróleo crudo y causan problemas para
el refinador, como lo hacen los mercaptanos y el sulfuro de hidrogeno.
Otros compuestos sulfurosos
El sulfuro tambien puede presentarse en estructuras complejas de anillo o estar
anexados al anillo. Estas moléculas son usualmente muy largas, conteniendo 30 o
más átomos de carbono. Sin embargo, algunos ejemplos simples ilustraran los tipos
de compuestos de sulfuros encontrados en el petróleo crudo. BORRADOR
34
Compuestos de oxígeno
Muy poco es conocido sobre los compuestos de oxígeno hallados en el petróleo crudo.
Sin embargo, compuestos largos con varios anillos, sean aromáticos o nafténicos, que
contienen oxígeno, han sido aislados de muchos crudos. El oxígeno puede ser parte
del anillo o puede tomar la forma de los aldehídos, alcoholes, cetonas o ácidos. El
oxígeno es normalmente asociado con moléculas muy grandes. Sin embargo, algunos
ejemplos que muestran los tipos de estructuras son dadas abajo.
El ácido carbólico usualmente es anexado a un anillo nafténico en que de un anillo
aromático. Estos ácidos orgánicos son conocidos más bien con el término más bien
impreciso de ácidos nafténicos. Estos ácidos pueden ser neutralizados con bases
comunes. Por lo tanto, el número de acides de un crudo es el número de hidróxido de
potasio necesarios para neutralizar el ácido carboxílico en un gramos de petróleo
crudo. Los ácidos en el petróleo crudo actúan una parte importante del esquema de
una técnica de recuperación mejorada de petróleo conocida como anegación acida.
A menudo el oxígeno está presente en el petróleo crudo como una parte de la
estructura de anillo. Un ejemplo simple es la coumarona.
Compuestos nitrogenados
Muy poco se sabe sobre los compuestos nitrogenados encontrados en el petróleo
crudo aparentemente, los átomos de nitrógeno son incluidos en las estructuras de
anillos complejas. Ejemplos simples son dados abajo.
BORRADOR
35
Componentes organometálicos
El vanadio y níquel están presentes en cantidades de partes por millón en la mayoría
de los petróleos crudos, usualmente en compuestos largos organometálicos llamados
porfirianos. La estructura química de los porfirianos es muy semejante a la la materia
distorsionada en la sangre y a la clorofila en la plantas.
Cantidades más pequeñas de otros metales, incluyendo al cobre y al hierro, han sido
encontradas en el petróleo.
Resinas y asfaltenos
Los químicos en el petróleo son clasificados como parafinas, naftenos, aromáticos y
resinas asfalténicas. Hemos discutido las primeras tres clases, las que son
hidrocarburos. Ahora nos concentraremos en las resinas y asfaltenos.
Las resinas y asfaltenos son moléculas largas, primariamente de hidrogeno y carbono,
con uno o tres átomos de azufre, oxígeno o nitrógeno por molécula. La estructura
básica está compuesta de anillos, primariamente aromáticos, con desde tres a 10 o
más anillos en cada molécula. Los átomos no hidrocarburíferos pueden formar parte
de las estructura del anillo o pueden ser localizados en las uniones que unen los
anillos.
Las estructuras básicas de las resinas y asfaltenos son similares. Ambas pueden ser
formadas por oxidación de hidrocarburos aromáticos policíclicos. Por otra parte,
ambas pueden ser reducidas a hidrocarburos por hidrogenación, con rendimientos
moderados a largas moléculas de hidrocarburos, sulfuro de hidrogeno y agua.
Adicionalmente, las resinas pueden ser convertidas en asfaltenos por oxidación.
BORRADOR
36
Existen, sin embargo, diferencias importantes entre las resinas y los asfaltenos. Los
asfaltenos no se disuelven en petróleo pero son dispersados en coloidales. Las
resinas fácilmente se disuelven en petróleo. Los asfaltenos puros son polvos negros,
sólidos y secos, y son no volátiles. Las resinas puras son líquidos viscosos o solidos
pegajosos y son tan volátiles como los hidrocarburos del mismo tamaño. Las resinas
de pesos moleculares altos son rojas; las resinas livianas son menos coloreadas.
Así, cuando el petróleo es separado en fracciones por destilación, los asfaltenos
quedan en la fracción más pesada, el residuo, mientras que las resinas son
distribuidas a través de varias fracciones de acuerdo a su volatilidad. El color de estos
destilados casi depende enteramente de la presencia de resinas. El color de la
fracción más pesada, el residuo, está determinado en gran parte por la presencia de
asfaltenos.
El color del petróleo es determinado en gran parte por la cantidad de resinas y
asfaltenos presentes, aunque el color molde verdoso de algunos petróleos
probablemente es debido a la presencia de moléculas conteniendo seis o más anillos.
Clasificación de los Petróleos Crudos
Los petróleos crudos pueden ser clasificados por sus características físicas o por la
estructura química de las moléculas que lo constituyen. Las estructuras químicas son
mucho más difíciles de medir que las propiedades físicas.
Clasificación física
El valor comercial del petróleo líquido puede ser estimado rápidamente a través de la
medición de las siguientes características físicas:
Gravedad especifica
Contenido de gasolina y queroseno
Contenido de sulfuros
Contenido de asfalto
Punto de fluidez
Punto de opacidad
Las primeras cuadro de estas propiedades fueron discutidas. El punto de fluidez es la
temperatura más baja, expresada en múltiplos de 5ºF, al cual el líquido es capaz de
fluir cuando es enfriado bajo condiciones preestablecidas. El punto de opacidad es la
temperatura a la que las resinas parafínicas comienzan a solidificarse y es identificado
por el principio de turbiedad a medida que la temperatura es bajada. Ambos test miden
cualitativamente el contenido de parafina del líquido.
Clasificación química
La clasificación química de los petróleos se relaciona a la estructura moléculas de las
moléculas del petróleo. Por supuesto que las moléculas más pequeñas, seis átomos
de carbono o menos, son predominantemente parafinas. Así que la clasificación
química es usualmente basada sobre el análisis del petróleo luego de que las
moléculas ligeras son removidas.
Términos tales como parafínico, nafténico, nafténico-aromático y aromático-asfaltico
son usados en varios métodos de clasificación que han sido propuestos. Estos
BORRADOR
37
términos obviamente se refieren a la estructura molecular de las especies químicas
más predominantes en la mezcla de petróleo crudo. Sin embargo, tales clasificaciones
se hacen dificultosas debido a que las moléculas más grandes usualmente consisten
de anillos aromáticos y nafténicos condensados con cadenas de lados parafínicos. Las
propiedades características de las moléculas dependen de la proporción de estas
estructuras.
Un método de clasificación trata a una molécula grande como aromático si está tiene
un solo benceno sin importar el otro contenido. Otro método considera la fracción de
cada molécula si es aromático, nafténico o parafínico. Obviamente, en cualquier caso
el procedimiento de análisis es tedioso. Un tercer método de clasificación simplemente
mide las gravedades específicas de varias fracciones separadas por destilación e
intenta relacionar la estructura química con la gravedad específica.
La industria petrolera se ha puesto de acuerdo sobre un sistema de clasificación
estándar. Adicionalmente, la clasificación del petróleo crudo tiene poca importancia en
su producción, con excepción que los crudos parafínicos pueden precipitar ceras y
taponear la sarta de producción. Consecuentemente, no examinaremos los sistemas
de clasificación en detalle. Kinghorn da una buena revisión de los sistemas de
clasificación química.
BORRADOR
38
2. Comportamiento de las fases Antes de estudiar las propiedades de los gases y los líquidos, necesitamos entender
las relaciones entre las dos fases. El punto de partida será un estudio de la presión de
vapor y el desarrollo de la definición de punto crítico. Luego veremos en detalle los
efectos de la presión y temperatura sobre una las propiedades intensivas de interés
particular para los ingenieros petroleros: volumen específico.
El termino fase define cualquier o físicamente bien definida parte de un sistema que
está separado de otras partes del sistema por una delimitada superficie. Por ejemplo,
el hielo, el agua líquida y el vapor de agua son tres fases. Cada una está físicamente
bien definida y es homogénea, y existen límites definidos entre el hielo y el agua, entre
el hielo y el vapor de agua y entre el agua líquida y el vapor de agua. Así, podemos
decir que tenemos un sistema de tres fases: solido, líquido y gas. Una fase particular
no necesita ser continua. Por ejemplo. El hielo puede existir como varios
conglomerados en el agua.
La definición de fase puede ser llevada más allá. Dependiendo de la temperatura y
presión, lo solidos pueden tomar formas cristalinas diferentes. Estas constituyen las
fases separadas. El ingeniero petrolero no le importa la forma cristalina de los sólidos;
por consiguiente, consideraremos solo tres fases: gas, líquido y sólido. Para el
propósito de nuestra discusión usaremos las palabras vapor y gas de forma
intercambiada. Algunos autores tratan de distinguir entre estas dos palabras, pero la
diferencia no tiene importancia para nosotros.
Las propiedades físicas pueden ser llamadas intensivas o extensivas. Las propiedades
intensivas son independientes de la cantidad de material presente. Densidad, volumen
específico y factores de compresibilidad son algunos ejemplos. Propiedades tales
como volumen y masa son llamados extensivas; sus valores son determinados del
total de la cantidad de materia presente.
La manera en la que los hidrocarburos se comportan cuando la presión y temperatura
son cambiadas es explicada de una mejor mediante una consideración del
comportamiento de las moléculas individuales:
Presión – es un reflejo del número de moléculas presentes y su movimiento,
temperatura – un reflejo de la energía cinética de las moléculas y su atracción-
repulsión molecular. La atracción molecular tienden a confinar la moléculas y
atraerlas juntas. La temperatura y la repulsión molecular tienden a separar las
moléculas.
Cuando el material parece estar en reposo, esto es, sin cambio de volumen o cambio
de fases, las fuerzas que confinan las moléculas están balanceadas con las fuerzas
que tienden a separarlas. Cuando el material no está en reposo, en caso del agua
hirviendo para el agua, las fuerzas están desbalanceadas y el material está cambiando
entonces tratan de ganar el balance.
La temperatura es simplemente una medida física de la energía cinética promedio de
las moléculas del material. A medida que el calor es añadido al material, la energía
BORRADOR
39
cinética de las moléculas es incrementada, y como resultado, la temperatura
incrementa. El incremento en la energía cinética causa un incremento en el
movimiento molecular, el cual resulta en una tendencia para que las moléculas se
traten de separarse.
La presión es un reflejo del número de veces que la molécula de un gas golpean las
paredes de su contenedor. Su las moléculas son forzadas cerca unas a otras la
presión incrementa.
Las fuerzas intermoleculares son las fuerzas de atracción y repulsión entre las
moléculas. Estas fuerzas cambian a medida que la distancia entre las moléculas
cambia. La fuerza atractiva incrementa mientras que la distancia entre las moléculas
disminuye hasta que las moléculas se acercan tanto que sus campos electrónicos se
traslapan. Cualquier disminución adicional de la distancia entre las moléculas causara
una fuerza repulsiva entre ellas. Está fuerza repulsiva incrementara a medidas que las
moléculas son forzadas a estar juntas.
Los gases, en los cuales las moléculas están relativamente muy separadas, tienen una
fuerza atractiva entre las moléculas a medida que las distancias entre las moléculas
disminuyen. Sin embargo, en un líquido, en el cual las moléculas están muy cerca, hay
una fuerza de repulsión entre la moléculas que causa que un líquido resista un
compresión adicional.
Sustancias puras
Consideraremos primero sistemas que consisten de una simple, sustancia pura. Estos
sistemas se comportan diferentes que los sistemas compuestos por dos o más
componentes. En particular, estaremos interesados en el comportamiento de las fases,
esto es, las condiciones de temperatura y presión para las cuales las diferentes fases
pueden existir.
Nos interesaran tres variables: presión, temperatura y volumen. La presión y
temperatura son impuestas sobre el sistema y determinan la fase o fases que pueden
existir. Las fases que existen son identificas por sus volúmenes específicos o
densidades.
Luego de una examinación cuidadosa del comportamiento de las fases de un
sustancia pura discutiremos el comportamiento de los sistemas que contienen dos o
más componentes y mostraremos las diferencias entre el comportamiento de los
multicomponentes y el comportamiento de una sustancia pura.
Diagrama de fases para una sustancia pura
Un diagrama de fases es un gráfico de presión contra la temperatura mostrando las
condiciones bajo las cuales estarán presentes las variadas fases de una sustancia. La
Figura 2-1 muestra un diagrama de fases para un componente único del sistema. Los
diagramas de fases a menudo son llamados diagramas presión – temperatura.
La línea presión – vapor
La línea TC en la Figura 2-1 es llamada línea de vapor – presión. Está línea separa
las condiciones de temperatura y presión para la cual la sustancia es un líquido de las
condiciones para las cuales la sustancia es un gas. Los puntos de presión temperatura
BORRADOR
40
que están exactamente debajo de esta línea indican condiciones a las cuales la
sustancia es un líquido. Similarmente, los puntos por debajo de la línea vapor –
presión representan las condiciones para las cuales la sustancia es un gas. Los puntos
presión – temperatura que caen exactamente sobre la línea indican las condiciones
para las cuales gas y líquido coexisten.
Figura 2-1 diagrama de fases típico para una sustancia pura.
El punto critico
El límite superior de la línea vapor – presión es el punto crítico, indicado por el punto
C. La temperatura y presión representadas por este punto es llamada la temperatura
crítica, cT , y la presión critica, cP .
Para una sustancia pura, la temperatura crítica puede ser definida como la
temperatura sobre la cual el gas no puede ser licuado, sin importar la presión aplicada.
Similarmente, el presión crítica de una sustancia pura es la presión sobre la cual el gas
y el líquido no puede coexistir, sin importar la temperatura. Estas definiciones de las
propiedades críticas son invalidad para los sistemas con más de un componente.
El punto triple
El punto T sobre la línea de vapor – presión es llamada la línea del punto triple. Este
punto representa las presiones y temperaturas a la cual sólido, líquido y gas pueden
coexistir bajo condiciones equilibradas.
La línea de presión – sublimación
A temperaturas por debajo del punto triple, la línea de vapor – presión divide las
condiciones para las guales la sustancia es un gas. Está línea tambien es llamada la
línea presión – sublimación. Teóricamente está línea se extiende a la temperatura del
cero absoluto y una presión absoluta de cero.
La línea del punto de fusión
La línea del punto de fusión es la línea casi vertical sobre el punto triple. Está línea
separa las condiciones del estado sólido de las condiciones del estado líquido. De
nuevo, los puntos de presión – temperatura que cae exactamente sobre esta línea
indican un sistema de dos fases – in este caso la coexistencia del sólido y el líquido.
Los diagramas de fase para algunos materiales puros muestran otras líneas dentro de
la región de la fase sólida, indicando cambios de fase traídos aproximadamente por
BORRADOR
41
cambios en la estructura cristalina. El límite superior de la línea de punto de fusión no
ha sido obtenido experimentalmente.
Uso de los diagramas de fase
En orden de ganar un mejor entendimiento del buen uso de los diagramas de fase,
considere un cilindro en el cual la temperatura puede ser controlada y el volumen
puede variar al inyectar o remover mercurio como se muestra en la Figura 2-2. La
Figura 2-2A muestra que una sustancia pura ha sido atrapada en un cilindro a una
presión 1p y a una temperatura por debajo de la temperatura critica de la sustancia.
Figura 2-2 Vaporización de una sustancia pura a temperatura constante
El proceso seguirá la ruta de la línea 123 de la Figura 2-3. Mientras el mercurio es
removido, la presión disminuye, la presión disminuye rápidamente hasta que alcanza
un valor de vp , la presión de vapor de la sustancia. A este punto se comienza a
formar gas como moléculas que dejan el líquido. La presión, que ha forzado las
moléculas a juntarse, ha sido reducida así las moléculas con la mayor energía cinética
pueden escapar del líquido y formar gas.
A medida que la remoción del mercurio continua, el volumen de gas incrementa y el
volumen de líquido disminuye; sin embargo, la presión permanece constante a un
valor de vp . Vea las figuras Figura 1 - 1-1Figura 2-2B, Figura 2-2C y el punto 2 sobre
la Figura 2-3.
BORRADOR
42
Una vez que el líquido desaparece, remoción adicional de mercurio causa un
decremento en la presión a medida que el gas se expande. Eventualmente, la presión
alcanza el punto 3p . La descripción anterior solo se aplica para una sustancia pura.
Luego veremos como este proceso funciona para una mezcla.Figura 2-4
Figura 2-3 diagrama de fases típico de una sustancia pura con dos líneas de
expansión isotérmica: 123 debajo de la temperatura crítica, 45 por arriba de la
temperatura crítica.
Figura 2-4 diagrama de fases típico de una sustancia pura con dos líneas de
cambio a temperatura isobárica: 123 bajo la presión crítica, 45 por arriba de la presión crítica
Si el mismo proceso es seguido para una temperatura por encima de la temperatura
crítica, por ejemplo, la línea 45 sobre la Figura 2-3, la remoción de mercurio causara
un decremento de la presión. Sin embargo no existirá un cambio súbito en la densidad
de la sustancia. La línea de presión de vapor no será cruzada. No hay un cambio de
fases abrupto.
Note que los términos de gas y líquido simplemente designan la fase menos densa,
respectivamente. Estas fases merman y pierden su identidad en el punto crítico.
Usaremos el cilindro descrito previamente para estudiar el proceso del incremento de
la temperatura a presión constante. Vea la línea 123 sobre la Figura 2-4. Temperatura
será incrementada al adicionar calor. Está adición de energía ocasionara que se
BORRADOR
43
incremente la presión, entonces se necesitara el incremento del volumen (al remover
el mercurio) para poder mantener la presión constante.
Figura 2-5 Vaporización de una sustancia pura a presión constante
La Figura 2-5 muestra la celda llena de líquido a la temperatura 1T , que es menor que
la temperatura de presión de vapor de la sustancia. En la Figura 2-5B, la sustancia ha
sido calentada a una presión constante hasta la temperatura de presión de vapor. La
inyección de calor ha causado que incremente la energía cinética de las moléculas
entonces con mayor energía cinética las moléculas pueden escapar de las fuerzas
atractivas para formar un gas. Gas y líquido coexisten.
Luego de que la temperatura de presión de vapor es alcanzada, el calor adicionado
dentro del cilindro no causa in incremento de la temperatura; en lugar de eso, causa la
vaporización del líquido. La temperatura permanecerá constante mientras el gas y el
líquido coexistan. La Figura 2-5D indica que suficiente calor ha sido puesto en el
cilindro para evaporar todo el líquido y el calor adicional ha causado un incremento en
la temperatura a la presión 3T .
El mismo proceso a presiones por encima de la presión crítica, por ejemplo, la línea
45 sobre la Figura 2-4, no muestra el abrupto cambio de fases que muestre el
proceso por debajo de la presión critica.
BORRADOR
44
Presión de vapor de una sustancia pura
Como al ingeniero petrolero raramente le interesan los hidrocarburos sólidos, en la
discusión siguiente solo consideraremos la línea de presión de vapor y las porciones
de líquido y gas del diagrama de fases.
La ecuación de Clausius-Claypeyron
La ecuación de Clausius-Claypeyron expresa la relación entre la presión de vapor y
temperatura. Esta es la ecuación para la línea de presión de vapor. Desarrollaremos
está ecuación con la ecuación de Claypeyron, que fue desarrollada usando la teoría
termodinámica.
Ecuación 2-1
v v
Mg ML
dp L
dT T V V
La relación vdp dT es la tasa de cambio de la línea de presión de vapor con respecto
a la temperatura. Así está representa la pendiente de la línea de presión de vapor. vL
es el calor de vaporización de un mol de líquido, T es la temperatura absoluta y
Mg MV V representa el cambio en el volumen de una molécula a medida que va de
líquido a gas.
Normalmente, el volumen molar de un líquido es de alguna forma más pequeño que el
volumen molar del gas, entonces nosotros ignoraremos el volumen molar del líquido y
reescribiremos la Ecuación 2-1.
Ecuación 2-2
v v
Mg
dp L
dT TV
Veremos luego que la presión, volumen y temperatura de un gas ideal puede estar
relacionado por la Ecuación 3 – 13.
v Mgp V RT
La combinación de la Ecuación 2-2 y la Ecuación 3-13 resultando en
Ecuación 2-3
2
v v vdp p L
dT RT
Está es conocida como la ecuación Clausius-Claypeyron.
Si asumimos que vL es una constante, podemos re arreglar e integrar la Ecuación 2-3,
BORRADOR
45
Ecuación 2-4
2
v v
v
dp L dT
p R T
Resultando en
Ecuación 2-5
1ln ,v
v
Lp C
R T
donde C es la constante de integración, o
Ecuación 2-6
2
2 1 2
1 1ln v v
v
p L
p R T T
donde los subíndices 1 y 2 indican diferentes condiciones de temperatura y presión.
La Ecuación 2-5 indica que la línea recta resulta cuando el logaritmo de la presión de
vapor es dibujada contra el reciproco de la temperatura absoluta. La pendiente de esta
línea es vL R y la intercepción es C.
EJEMPLO 2 – 1: Dibuje la presión de vapor de la n-hexano de forma que resulte en
una línea recta.
Temperatura ºF
Presión de Vapor del n-hexano,
psia
155.7 14.7 199.4 29.4 269.1 73.5 331.9 147.0 408.9 293.9 454.6 435.0
SOLUCIÓN:
Vea la Figura 2-6.
Esta es una aplicación de la teoría que encontrara usted a lo largo de toda su carrera
profesional. Muchas veces comenzamos con principios básicos y derivan en
ecuaciones a través del uso de manipulaciones matemáticas. A menudo, las
ecuaciones resultantes no son usadas para hacer cálculos pero son simplemente
usadas para indicar un método para manejar datos. En este caso la ecuación provee
un método de dibujar la presión de vapor asiendo que resulte en una línea recta.
BORRADOR
46
Figura 2-6 Presiones de Vapor del n-hexano. Solución al Ejemplo 2 – 1 (Datos de Stull, Ind. & Ing. Quim., 39, 517, 1947.)
Grafica Cox
La suposición de que el calor de vaporización es constante no es necesariamente
valida. Además, a temperaturas cercanas de la temperatura critica, la suposición sobre
el volumen molar del líquido es inválida. Así, un gráfico de presión de vapor del tipo
dado en la Figura 2-6 usualmente resulta en una línea con una cierta curvatura sobre
un rango grande de temperatura.
Este problema fue resulto al graficar el logaritmo de la presión de vapor contra una
escala arbitraria de temperatura que está relacionada con el reciproco de la
temperatura absoluta. La escala de temperatura fue construida al dibujar una línea
recta sobre la gráfica y ajustar la temperatura haciendo que a la presión de vapor del
agua le corresponda una línea recta. Este grafico modificado de la presión de vapor es
conocido como la Gráfica Cox.
La presión de vapor de la mayoría de los hidrocarburos será graficado como líneas
rectas en está gráfica. Las Gráficas Cox para parafinas normales y parafinas
isoméricas son dando en la Figura 2-7 y Figura 2-8. El punto en cada línea de presión
de vapor indica el punto crítico. La línea de presión de vapor debería no extenderse
hacia temperaturas más altas que la de la temperatura critica. Sin embargo, estas
líneas han sido extrapoladas pasando la temperatura crítica debido a que ciertos
cálculos de aproximación requieren el uso de presión de vapor artificialmente
extrapoladas.
BORRADOR
47
Figura 2-7 Presiones de Vapor de parafinas normales (del Manual de Ingeniería del Gas Natural por Katz et al. Copyright 1959 por McGraw – Hill Book Co. Usado
con el permiso de McGraw – Hill Book Co.)
BORRADOR
48
Figura 2-8 Presiones de vapor de parafinas isoméricas. (del Manual de Ingeniería del Gas Natural por Katz et al. Copyright 1959 por McGraw – Hill Book Co. Usado
con el permiso de McGraw – Hill Book Co.)
BORRADOR
49
Diagrama Presión – Volumen para una sustancia pura
El resultado de los procesos descritos en la Figura 2-2 pueden ser presentados en la
forma de un diagrama de presión – volumen. La Figura 2-9 muestra dos isotermas de
un diagrama típico presión – volumen para una sustancia pura. Procesos 1 – 3 y 4 – 5
corresponden a los procesos indicados en la Figura 2-3.
Considere un proceso comenzando en el punto 1 con una sustancia en la fase líquida.
La temperatura se mantiene constante y el volumen se incrementa al remover
mercurio. Esto es debido a que los líquidos son relativamente incompresibles.
Cuando la presión es reducida a la presión de vapor, vp , se comienza a formar el gas
e incrementos adicionales en el volumen causan la vaporización del líquido. Esto
continua a presión constate hasta que todo el líquido es vaporizado. El punto 2 sobre
la Figura 2-3 es una línea recta horizontal sobre la Figura 2-9. Esto muestra que si la
presión se mantiene constante tanto como el líquido y gas permanezcan a temperatura
constante. Luego de que todo el líquido es vaporizado, el incremento continuado en el
volumen causa la expansión del gas y la reducción de la presión a 3p . Desde que el
gas es altamente compresible, la pendiente de la isoterma es mucho menos inclinada
en la región de gas que en la región de líquido.
Figura 2-9 Diagrama típico de presión – volumen de una sustancia pura
mostrando dos isotermas: 13 bajo la temperatura crítica, 45 sobre la
temperatura crítica.
La línea 45 sobre la Figura 2-9 ilustra el mismo proceso a una temperatura arriba de la
temperatura critica de la sustancia. La línea muestra que es simplemente una
expansión de la sustancia y no ocurre un cambio de fase abrupto.
Presión de burbuja y presión de rocío
De nuevo, considere la expansión a temperatura constante ilustrada por la línea 13
sobre la Figura 2-9. El punto al cual las primeras moléculas dejan el líquido y forman
una pequeña burbuja de gas es llamado Punto de Burbuja. El punto al cual solo una
pequeña gota de líquido permanece es conocido como el punto de rocío. El punto de
burbuja y el punto de rocío son mostrados por los cambios bien definidos de la
BORRADOR
50
pendiente a lo largo de la isoterma. Para una sustancia pura, la presión a la cual el
punto de burbuja y el punto de rocío son iguales a la presión de vapor de la sustancia
a la temperatura de interés.
Sobresaturación
La muestra un diagrama presión volumen casi completo. La línea discontinua el lugar
geométrico de todos los puntos de burbuja y puntos de rocío. El área entre las líneas
punteadas indican las condiciones a las cuales gas y líquido coexisten. A menudo está
área es llamada sobresaturación. La línea de punto de burbuja y el punto de rocío
coinciden en el punto crítico. Note que la isoterma a la temperatura critica muestra un
punto de inflexión horizontal a medida que pasa por la presión critica.
Figura 2-10 Diagrama presión – volumen del etano. (Datos de Brown et al, Gasolina natural e hidrocarburos volátiles, NGAA, Tulsa, 1947)
EJEMPLO: 2 – 2: Use la Figura 2-10 para estimar la presión y temperatura critica del
etano. Además estime los volúmenes específicos del etano líquido y gas a 70ºC.
Solución:
90º y 710 , punto C, Figura 2-10.c cT F p psia
3
de líquido a 70ºF 0.047 ftlbv
3
de gas a 70ºF 0.178 , isoterma 70ºF, Figura 2 - 10ftlbv
Diagrama Densidad – Temperatura para una Sustancia Pura
La forma de un diagrama típico densidad – temperatura es dado en la Figura 2-11. La
línea muestra las densidades del líquido y gas que coexisten en la región de dos
fases. A menudo estos son llamados densidades saturadas. Note que las densidades
del líquido y el gas son idénticas en el punto crítico.
BORRADOR
51
Figura 2-11 Diagrama típico densidad – temperatura para una sustancia pura.
La densidades medias del líquido y el gas se grafican como una línea recta que pasa
sobre el punto crítico. Está propiedad es conocida como la Lay de los Diámetros
Rectilíneos. La línea segmentada sobre la Figura 2-11 muestra estas densidades
promedio.
La da las densidades saturadas para un número de sustancias de interés para el
ingeniero petrolero.
Figura 2-12 Densidades de un fluido saturado. (Datos de Brown et al, Gasolina natural e hidrocarburos volátiles, NGAA, Tulsa, 1947, 48, con permiso)
BORRADOR
52
Mezclas de dos componentes
Ahora consideraremos el comportamiento de las fases de una mezcla de dos
componentes. El ingeniero petróleo no trabaja normalmente con sistemas de dos
componentes; usualmente mezclas que consisten de muchos componentes son
encontrados. Sin embargo, es instructivo el observar las diferencias en el
comportamiento de las fases entre la mezcla de dos componentes y el de una
sustancia pura. Estas diferencias son ampliadas en mezclas multicomponentes.
Ahora primero consideraremos los diagramas de fase. Luego definiremos el punto
crítico para una mezcla de dos componentes. Esta será la definición correcta para
mezclas multicomponentes. Además, miraremos a un importante concepto llamado
condensación retrógrada. Luego será discutido el diagrama presión – volumen y las
diferencias entre sustancias puras y mezclas de dos componentes en la región de dos
fases será ilustrada. Finalmente, los efectos de temperatura y presión sobre la
composición del líquido y el gas coexistente serán ilustrados.
Diagrama de fases de mezclas de dos componentes
El comportamiento de una mezcla de dos componentes no es tan simple como el
comportamiento de una sustancia pura. En vez de una línea simple representando la
presión curva de presión de vapor, hay una gran región donde las dos fases coexisten.
Está región es llamada sobresaturación, sobre fase o la región de dos fases. La Figura
2-13 muestra la forma típica del diagrama de fases para una mezcla de dos
componentes. La región de dos fases del diagrama de fases está unida por un lado
por la línea del punto de burbuja y por el otro lado por la línea del punto de rocío. Las
dos líneas se unen en el punto crítico.
Figura 2-13 Diagrama típico de una mezcla de dos componentes con una línea de
expansión isotérmica, 12
Punto de burbuja y punto de rocío
Considere una expansión a temperatura constante ilustrada sobre la Figura 2-13 por la
línea 12 . A la presión 1p la mezcla es un líquido. A medida de que decrementa la
presión, el líquido se expande hasta que la preison alcanza un punto en el cual un par
BORRADOR
53
de moléculas son capaces de dejar el líquido y formar una pequeña burbuja de gas.
Este es el punto de burbuja. La presión a la cual la primer burbuja de gas es la presión
de punto de burbuja, bp .
A medida que la presión disminuye debajo de la presión de burbuja, aparece más gas.
Finalmente, solo una pequeña cantidad de líquido permanece. Este es el punto de
rocío. La presión en este punto es conocida como la presión de punto de rocío, rp .
Una reducción adicional de la presión al punto 2 simplemente causa una expansión del
gas.
Figura 2-14 Diagrama de fases típico de una mezcla de dos componentes con líneas de presión de vapor de los dos componentes puros.
El punto crítico
La definición del punto crítico que es aplicada para una sustancia pura no se aplica a
una mezcla de dos componentes. En una mezcla de dos componentes, líquido y gas
pueden coexistir a temperaturas y presiones mayores que la temperatura y presión
crítica. Ahora vemos que la definición del punto crítico es simplemente el punto al cual
la línea de punto de burbuja y el de punto de rocío se unen. Una definición más
rigurosa del punto crítico es que es el punto al cual todas las propiedades del líquido y
el gas se vuelven idénticas.
La Figura 2-14 muestra la presión de vapor de los dos componentes de la mezcla
superpuesta sobre el diagrama de fase de la mezcla. La sobresaturación para la
mezcla yace entre las líneas de presión de vapor de los dos componentes. Sin
embargo, la presión crítica de la mezcla está arriba de la presión crítica de los dos
componentes. La presión crítica de la mezcla de dos componentes usualmente es más
alta que la presión critica de cualquiera de los componentes.
La Figura 2-15 muestra datos de fase ara ocho mezclas de metano y etano a lo largo
de las líneas de presión de vapor para metano puro y etano puro. Nuevamente,
observe que la sobresaturación de cada una de las mezclas yace entre la línea de
presión de vapor de las dos sustancias puras y la presión crítica de la mezcla yace
sobre las presiones críticas de los componentes puros. La línea segmentada es el
lugar geométrico de los puntos críticos de las mezclas de etano y metano.
BORRADOR
54
Figura 2-15 Diagrama de fases de una mezcla de etano y metano.
EJEMPLO 2 – 3: Determine la temperatura y presión crítica de una mezcla de 50.02%
molar de metano y 49.98% de etano. Además determine el punto de burbuja y el punto
de rocío de esta mezcla a -20F.
Solución:
15º y 975 , línea 6, Figura 2-15.c cT F p psia
842 , 339 a -20ºF, línea 6, Figura 2-15.b dp psia p psia
El lugar geométrico de sistemas binarios compuestos de hidrocarburos parafínicos
normales es mostrado en la Figura 2-16. Obviamente, las presiones críticas de
mezclas son considerablemente más altas que las presiones críticas de los
componentes de la mezcla. De hecho, una gran diferencia en el tamaño de las
moléculas de los componentes causa que la mezcla tenga muy grandes presiones
críticas.
Cricondenterm y cricondenbar
La mayor temperatura en la sobresaturación es llamada cricondenterm. La mayor
presión sobre la sobresaturación es llamada cricondenbar. Estas condiciones son
ilustradas en la Figura 2-17. BORRADOR
55
Figura 2-16 Foco critico de mezclas binarias n – parafinarias.
Figura 2-17 Diagrama de fases típico de una mezcla de dos componentes con definiciones de la cricondenbar y cricondenterm
EJEMPLO 2 – 4: determine la cricondenterm y la cricondenbar de una mezcla de
50.02% molar de metano y 48.98% de etano.
Solución:
BORRADOR
56
cricondenterm 24º , cricondenbar esta muy cerca de la preison critica de 975 psia,
linea 6, Figura 2 - 15
F
Condensación retrógrada
Otra característica de un sistema es ilustrado sobre la Figura 2-18. Recuerde que para
una sustancia pura una disminución en la temperatura causa un cambio de fase del
líquido a gas a la línea de presión de vapor. Asimismo, en el caso de un sistema de
dos componentes una disminución de la presión causa un cambio de fases de líquido
a gas a temperaturas debajo de la temperatura crítica. Un ejemplo de es el proceso 1
– 2 sobre la Figura 2-13.
Figura 2-18 Diagrama de fases típico de una mezcla de dos componentes con
línea de expansión isotérmica, 123 , en la región retrograda.
Sin embargo, considere la disminución isotérmica de la presión ilustrada por la línea
123 sobre la Figura 2-18. Como la presión disminuyo del punto 1, la línea de punto de
rocío es cruzada y el líquido se comienza a formar. En la posición indicada por el
punto 2, el sistema es 25% líquido por volumen y 75% gas. Una disminución en la
presión ha causado un cambio de gas a líquido. Esto es exactamente el inverso del
comportamiento que uno esperaría, debido al nombre de condensación retrograda. A
medida que la presión disminuye del punto 2 hacia el punto 3, la cantidad de líquido
disminuye, la línea de punto de rocío es cruzada de nuevo y el sistema se convierte en
gas.
Note que un punto de rocío superior y un punto de rocío más bajo existen. El punto de
rocío más alto a veces es llamado punto de rocío retrógrado.
La región de condensación retrograda ocurre a temperaturas entre la temperatura
crítica y el cricondenterm. Una situación similar de condensación retrograda cuando la
temperatura es cambiada a presión constante entre la presión crítica y la cricondenbar.
EJEMPLO 2 – 5: Determine el rango de temperatura en el cual la condensación
retrograda ocurrirá para una mezcla de 50.02% molar de metano y 49.98% de etano.
Solución:
BORRADOR
57
La condensación retrograda ocurrirá a temperaturas entre la temperatura crítica, 15ºF
y la cricondenterm, 24ºF.
Diagrama presión – volumen para una mezcla de dos componentes
La Figura 2-19 muestra una isoterma simple sobre un diagrama de presión – volumen
para una mezcla de dos componentes con una composición constante en conjunto. La
característica que distingue este diagrama desde un diagrama presión - volumen de
una sustancia pura, Figura 2-9, es que si la presión disminuye cuando el proceso pasa
del punto de burbuja al punto de rocío. La línea del punto de burbuja al punto de rocío
no es horizontal y no es necesariamente recta. La disminución en la presión es
causada por cambios en las composiciones del líquido y el gas mientras el proceso
pasa por la región de dos fases.
En el punto de burbuja, la composición del líquido es esencialmente igual a la
composición global de la mezcla, pero la cantidad infinitesimal de gas es más rica en
componentes más volátiles. De la misma manera, en el punto de rocío la composición
del vapor es esencialmente a la composición general del sistema y la cantidad
infinitesimal de líquido es más rica en componentes menos volátiles. Los cambios que
en la pendiente de la línea en el punto de burbuja y el punto de rocío no son tan
angulosas que para una sustancia pura.
Figura 2-19 Diagrama típico presión – volumen de una mezcla de dos componentes mostrando una isoterma bajo la temperatura crítica
La Figura 2-20 muestra un diagrama de presión – volumen para una mezcla de n-
pentano y n-heptano, mostrando varias isotermas y la envolvente de saturaciones.
Note que a temperaturas bajas los cambios en la pendiente de las isotermas el punto
de rocío casi no existe. Además note que el punto crítico no está en el tope de la
envolvente de saturación como lo fue para sustancias puras.
EJEMPLO 2-6: considere una mezcla de 47.6% en peso de n-pentano y 52.4% de h-
heptano. Estime el volumen específico del líquido en su punto de burbuja a 400ºF.
Además estime el volumen específico del gas a su punto de rocío de 400ºF.
Solución:
V del líquido en el punto de burbuja a 400ºF y 332psia = 0.036 pies cub/lb,
BORRADOR
58
V del gas en el punto de rocío a 400ºF y 275psia = 0.249 pies cu/lb de la isoterma
400ºF de la figura 2-20.
Figura 2-20 Diagrama presión – volumen de una mezcla de 47.6% en peso de n-pentano y 52.4% n-heptano.
Figura 2-21 Diagrama presión – composición típica para una mezcla de dos
componentes con una línea de unión 123
Diagrama de composiciones
Una serie de experimentos de laboratorio con una sustancia pura (mostrada en la
Figura 2-2) resultara en datos para presión, temperatura y volumen. Una serie similar
de experimentos con sistemas de dos componentes resultara en datos para variables
adicionales. La composición general de la mezcla, la composición del equilibrio líquido
y la composición del gas en equilibrio son todas importantes. Por lo tanto, en adición a
BORRADOR
59
graficar combinaciones de temperatura, presión y volumen; gráficos adicionales con
estas variables dibujadas contra composición son posibles.
Diagramas de presión – composición para mezclas de dos componentes
La Figura 2-21 da un diagrama típico presión – composición para una mezcla de dos
componentes a una temperatura simple. Combinaciones de composición y presión que
dibujan sobre la envolvente indicando condiciones a las cuales la mezcla es
completamente líquida. Combinaciones de composición y presión que son dibujadas
bajo de la envolvente indican condiciones a las cuales la mezcla es gas. Cualquier
combinación de presión y composición que se dibujan dentro de la envolvente indican
que en la mezcla existe en dos fases, gas y líquido. El punto de burbuja y el punto de
rocío tienen las mismas definiciones que han sido previamente discutidas.
La línea de punto de burbuja es además el foco de composiciones del líquido cuando
dos fases están presentes. La línea de punto de rocío es el foco de composiciones
donde cuando el gas y el líquido están en equilibrio. La línea que une la composición
del líquido con la composición del gas en equilibrio es conocida como una línea de
equilibrio atado. Línea de atar son siempre horizontales para mezclas de dos
componentes.
Figura 2-22 Diagramas presión-composición isotérmicos de mezclas de metano y etano.
Considere una mezcla de composiciones representada por el punto 1 es traída al
equilibrio a la presión indicada y la temperatura del diagrama. La composición del
equilibrio líquido es indicado por el punto 2 y la composición del gas en equilibrio es
dado por el punto 3.
BORRADOR
60
La línea de unión puede tambien ser usada para determinar las cantidades del gas y
liquido presentadas en el punto 1. El largo de la línea 12 dividida por el largo de la
línea de unión, 23 , es la proporción de moles de gas y el total de moles de la mezcla.
El largo de la línea, 13 dividida por el largo de la línea 23 es la proporción de moles
de líquido y el total de moles de la mezcla.
La Figura 2-22 muestra diagramas presión – composición para mezclas de metano y
etano. Hay cuatro envolventes correspondiendo a cuatro temperaturas diferentes.
La esquina del diagrama etiquetado 100% molar de metano representa las presiones
de vapor del metano. La esquina del diagrama etiquetado cero por ciento de metano
da las presiones de vapor del etano.
Cuando la temperatura excede la temperatura crítica de un componente, la envolvente
de saturación no va a través de todo el diagrama; en vez, el punto de burbuja y el
punto de rocío se unen en el punto crítico. Por lo tanto, cuando la temperatura crítica
de una mezcla de metano y metano es menor a 100ºF, la presión crítica es de 750psia
y la composición de la mezcla crítica es 95% molar de metano y 5% de etano.
Note que el foco de los punto críticos conectan la presión crítica del etano, 708psia, a
la presión crítica del metano, 668psia. Cuando la temperatura excede la temperatura
crítica de ambos componentes, no es posible para ninguna mezcla de los dos
componentes el tener dos fases.
EJEMPLO 2 – 7: Determine las composiciones y cantidades de gas y líquido formado
cuando 3lb mol de una mezcla de 70% molar de metano y 30% de etano son traídos al
equilibrio a -100ºF y 400psia.
Solución
Primero, dibujar la línea de 70% molar de metano y 400psia sobre la envolvente de
saturación para -100ºF en la Figura 2-22. Segundo, dibujar la línea de unión (vea la
Figura 2-23) y leer la composición del equilibrio líquido sobre el punto de burbuja y la
composición del gas en equilibrio sobre la línea de punto de rocío.
Componentes Composición del líquido,
porcentaje molar Composición del gas,
porcentaje molar
Metano 52.2 91.8 Etano 47.8 8.2
100 100
Tercero, calcular las fracciones de gas y líquido del largo de la línea de unión.
70.0 52.2fraccion de gas 0.45
91.8 52.2
91.8 70.0fraccion de líquido 0.55
91.8 52.2
gas
total
liquido
total
lb mol
lb mol
lb mol
lb mol
cantidad de gas 0.45 3 1.35
cantidad de liquido 0.55 3 1.65
gas
liquido
lb mol lb mol
lb mol lb mol
BORRADOR
61
Figura 2-23 Solución al ejemplo 2 – 7
Diagramas temperatura-composición para mezclas de dos componentes
Diagramas temperatura-composición para mezclas de metano y etano son dados en la
Figura 2-24. Seis envolventes de saturación correspondientes con seis presiones
diferentes son mostradas.
La línea inferior de la envolvente de saturación es la línea del punto de burbuja, y la
línea superior es la línea del punto de rocío. Condiciones de composición-temperatura
que se dibujan de la envolvente de saturación indican que esa mezcla es enteramente
líquida.
Cuando la presión es menor que las presiones criticas de ambos componentes, las
líneas del punto de burbuja y el punto de rocío se unen a la presión de vapor de los
componentes puros a cualquier lado del diagrama. Cuando la presión excede la
presión crítica de uno de los componentes, la línea del punto de burbuja y la línea de
punto de rocío se unen en un punto crítico. Por lo tanto, una mezcla de 98% molar de
metano y 2% de etano tiene su temperatura crítica a menos 110ºF a una presión
crítica de 700psia.
Cuando la presión de interés excede la presión crítica de ambos componentes, la
envolvente de fases exhibe dos puntos críticos. Por lo tanto, mezclas de metano y
etano exhiben puntos críticos a 900psia y menos 62ºF y a 900psia y 46ºF.
BORRADOR
62
Figura 2-24 Diagramas isobáricos temperatura-composición de mezclas de etano y metano.
Las líneas de unión que dan las composiciones de líquido y gas en equilibrio son de
nuevo horizontales. La línea de punto de burbuja da la composición del equilibrio
líquido y la línea de punto de rocío da la composición del equilibrio gas. Los largos de
las líneas de unión representan las cantidades de gas líquido en equilibrio de la misma
manera que para el diagrama presión-composición.
Mezclas de tres componentes
Diagramas de fase composicionales para mezclas de tres componentes deben ser
dibujadas de tal manera que las composiciones de los tres componentes pueden ser
exhibidos. Los diagramas formados para triángulos equiláteros son convenientes para
este propósito. Estos son llamados diagramas ternarios. BORRADOR
63
Figura 2-25 Diagrama ternario
Diagramas ternarios
La Figura 2-25 muestra un diagrama ternario. Cada esquina del triángulo corresponde
a un 100% de uno solo de los componentes. La convención usual es el de dibujar los
componentes más livianos en la parte superior y el componente más pesado en la
parte inferior izquierda. Cada lado del triángulo representa mezclas de dos
componentes. Por lo tanto, el lado izquierdo del triángulo representa todas las mezclas
posibles de componentes más liviano y el más pesado. Puntos dentro del triángulo
representan mezclas de tres componentes. La composición es graficada usualmente
en términos de la fracción molar o porcentaje molar. Para un diagrama simple, presión
y temperatura son constantes; solo la composición cambia.
El punto 1 sobre la Figura 2-25 representa puro del componente B. El punto 2
representa una mezcla de 30% molar del componente A y 70% del componente C. El
punto 3 representa una mezcla que consiste de 50% molar de componente A, 30% del
componente B y 20% del componente C. La composición representada por el punto 3
es determinada de mejor manera al imaginar tres líneas del punto 3 perpendiculares a
los lados del diagrama triangular. El largo de la línea 43 representa la composición del
componente A en la mezcla. El largo de la línea 53 representa la composición del
componente B y el largo de la línea 63 representa la composición del componente C.
La línea 21 representa un proceso de interés para el ingeniero petrolero. Como hemos
visto, el punto 2 representa la composición de la mezcla del componente A y el
componente C sin que haya componente B presente. La línea 12 representa las
composiciones de todas las mezclas formadas por la adición del componente B a la
mezcla original de componentes A y C. por lo tanto, el punto 7 representa una mezcla
de partes iguales de la mezcla original de A y C más el componente B. La composición
es 50% componente B, 15% componente A y 35% componente C. La proporción de
los componentes A y C, 15:35, es la misma proporción de A a C en la mezcla original,
30:70.
Diagramas de fase de tres componentes
La FIGURA 2-26 muestra un diagrama de fases típico de tres componentes.
BORRADOR
64
El metano es el componente más liviano y está dibujado en la parte superior. Así la
línea de punto de rocío yace a lo largo de la parte superior de la envolvente de
saturaciones y el punto de burbuja yace a lo largo del fondo. Este diagrama es para
una presión y temperatura simple. Las líneas de unión son rectas pero no horizontales,
como lo fueron para el caso de los diagramas de dos componentes. En el caso de las
mezclas de tres componentes, las líneas de unión deben ser determinadas
experimentalmente y dadas sobre el diagrama.
El punto 1 presenta una mezcla de metano, propano y n-pentano que exhibe un
equilibrio gas y líquido a la temperatura y presión indicadas por el diagrama. El punto 2
representa la composición del equilibrio líquido. La cantidad de gas, en fracción de
moles totales de la mezcla completa, es representada por el largo de la línea 13
dividida por el largo de la línea 23 . La cantidad de líquido en términos de fracción de
moles totales de la mezcla completa es representada por la línea 12 dividida por el
largo de la línea 23 .
Figura 2-26 Diagrama de fase ternario de mezclas de metano, propano y n-
pentano a 500psia y 160ºF con línea de equilibrio, 123
EJEMPLO 2-8: Determine las composiciones y cantidades de gas y líquido en
equilibrio cuando 6 lb-mol de una mezcla de 50% molar de metano, 15% de propano y
35% molar de n-pentano traídos al equilibrio a 160ºF y 500psia.
Solución:
Primero, graficar la composición de la mezcla sobre el diagrama ternario para una
presión y temperatura dada, (vea la Figura 2-26, punto 1).
Segundo, leer la composición del gas en equilibrio al punto donde la línea de unión a
través del punto 1 conecta con la línea del punto de rocío. Vea el punto 2.
14 Porciento molar de propano 12 Porciento molar de n-pentano
100 Porcentaje molar Tercero, lea la composición del líquido en equilibrio en el punto donde la línea de unión
a través del punto 1 conecta con la línea de punto de rocío. Vea el punto 3.
BORRADOR
65
Composición del líquido 13 Porciento molar de metano 17 Porciento molar de propano 70 Porciento molar de n-pentano
100 Porcentaje molar Cuarto, calcule la fracción de la mezcla que es gas:
0.65 lg lb mol de gasfraccion de gas 0.607
1.07 lg lb mol total
pu
pu
Y cantidad de gas
cantidad de gas 0.607 6 lb mol 3.6lb mol
Quinto, calcular la fracción de la mezcla que es líquido
0.42 lg lb mol de liquidofraccion de liquido 0.393
1.07 lg lb mol total
pu
pu
Y cantidad de liquido
cantidad de gas 0.393 6 lb mol 2.4lb mol
Figura 2-27 Diagrama de fase ternario de una mezcla de metano, propano y n-pentano a 1500psia y 160ºF.
La Figura 2-27 es la envolvente de saturaciones para una mezcla de metano, propano
y n-pentano a la misma temperatura que de la Figura 2-26 pero a una presión mayor.
El punto de burbuja y el punto de rocío se unen en el punto crítico. El punto crítico da
la composición de la mezcla, que tiene su presión crítica en 1500psia y su temperatura
crítica a 160ºF.
La Figura 2-28 muestra las varias posiciones de las envolventes de saturación que las
mezclas de metano, propano y n-pentano pueden tomar a 160ºF mientras la presión
es incrementada desde la presión atmosférica a 2350psia. Viendo las mezclas binarias
mostradas en la Figura 2-29 ayudaran a entender las razones por los cambios en las
formas de las envolventes de saturación mientras la presión es incrementada. El
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66
número de puntos sobre la Figura 2-29 corresponde a los diagramas numerados de la
Figura 2-28.
Figura 2-28 Diagrama de fases ternario de mezclas de metano, propano y n-pentano a 160ºF y varias presiones, mostrando los cambios típicos en las
formas de los diagramas mientras la presión cambia.
BORRADOR
67
Figura 2-29 Presiones de vapor del metano, propano y n-pentano con un foco crítico de mezclas binarias.
A presión atmosférica, todas las mezclas de estos componentes serán gas. Vea la
Figura 2-28 (1). La temperatura está sobre la temperatura crítica del metano y la
presión atmosférica está muy debajo de la presión de vapor del propano y el n-
pentano a 160ºF.
Considere una presión sobre la presión de vapor del n-pentano y debajo de la presión
de vapor de propano, por lo tanto, 2000psia. Vea el punto 2 sobre la Figura 2-29 y la
Figura 2-28(2). Todas las mezclas de metano y propano son gas. Ambos, metano y n-
pentano binaria y propano-n-pentano binaria están en su región de dos fases. Sus
composiciones de punto de burbuja y punto de rocío aparecen a los lados del
diagrama ternario al final del punto de burbuja y el punto de rocío de las mezclas
ternarias.
A la presión de vapor del propano, 380psia a está temperatura, el punto de burbuja y
el punto de rocío de la envolvente de saturaciones convergen al 100$ de propano. Sea
el punto 3 sobre la Figura 2-29 y Figura 2-28(3). La única mezcla binaria que exhibe
comportamiento de dos fases son aquellas de metano y n-pentano.
A presiones sobre la presión de vapor del propano y menores que el locus de mezclas
de metano y n-pentano, por lo tanto 500psia, punto 4, las mezclas binarias de metano-
propano y propano-n-pentano son completamente líquido. As como se muestra en la
envolvente de saturación en la Figura 2-28(4).
El punto crítico de una mezcla específica de metano y propano ocurre a 1040psia a
esta temperatura, punto 5. Las líneas del punto de rocío y el punto de burbuja
intersectan el lado del diagrama del metano-propano a la composición de este punto
crítico.
Sobre esta presión, punto 6, todas las mezclas de metano-propano son de una sola
fase. Así solo las mezclas binarias metano-n-pentano tienen un comportamiento de
dos fases y solo el lado del metano-n-pentano del diagrama ternario pueden mostrar
un punto de burbuja y un punto de rocío. Las líneas de punto de burbuja y el punto de
BORRADOR
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rocío de la envolvente de saturaciones no interceptan otro lado del diagrama, en vez
las dos líneas se unen en el punto crítico, la composición de la mezcla de tres
componentes tiene su punto crítico a 1500psia a 160ºF.
A medida que la presión es incrementada, el tamaño de la región de dos fases
disminuye, Figura 2-28(7), hasta que la presión crítica de una mezcla de metano-
pentano es alcanzada, 2350psia a está temperatura, punto 8. A está presión y al todas
las presiones mayores, todas las mezclas de metano, propano y n-pentano son de una
sola fase.
Figura 2-30 Diagrama de fases pseudoternario de mezclas de un petróleo sintético con oxido de carbono. El petróleo es representado como una mezcla de
metano y etano plus.
Usos de los diagramas ternarios
Un uso común de los diagramas de fase de tres componentes es en un análisis del
desplazamiento miscible. Por lo tanto, la Figura 2-30 da la envolvente de un petróleo
con dióxido de carbono. El petróleo es dibujado como una mezcla artificial de dos
componentes, con metano como uno de los componentes y todos los demás
constituyentes adicionados justos como otro componente.
Otra técnica separa el petróleo en dos pseudo-componentes. Uno contiene todos los
componentes de 12 átomos de carbono o menos. El otro contiene todos los
componentes de 13 átomos de carbono o más. El dióxido de carbono es el tercer BORRADOR
69
componente del diagrama. Esto es ilustrado en la
Figura 2-31 Diagrama de fase pseudo-ternario de una mezcla de petróleo separado con dióxido de carbono.
EJEMPLO 2-9: El petróleo crudo de la Figura 2-30 contiene 35% molar del metano.
¿Todas las mezclas de este petróleo con dióxido de carbono serán de una sola fase
(miscible)?
Solución
No, una línea recta del punto de 35% molar para el metano, 65% molar para el etano
plus a la cima de puro dióxido de carbono pasa a través de la envolvente de dos fases. BORRADOR
70
Figura 2-32 Diagrama de fases de una mezcla de gas natural y gasolina.
Figura 2-33 Diagrama de fase de una mezcla de gas natural y gasolina
BORRADOR
71
Figura 2-34 Diagrama de fases de un fluido del reservorio.
Mezclas multicomponentes
Mientras el número y complejidad de las moléculas en una mezcla incrementa, la
separación entre las líneas del punto de burbuja y el punto de rocío sobre el diagrama
de fases se hace mayor. Varios diagramas de fase de mezclas de petróleo son
mostrados en las Figura 2-32 y Figura 2-36.
Note una variedad de presiones críticas y temperaturas críticas y las diferentes
posiciones que el punto crítico toma sobre la envolvente de saturación. Además note
las largas separaciones entre la temperatura crítica y el cricondenterm en todas las
instancias y la separación entre el cricondenbar y la presión crítica para la mezcla de
hidrocarburos más livianos en Figura 2-35 y Figura 2-36.
En el capítulo 5 intentaremos dar un sentido de una variedad de formas y tamaños de
diagramas de fase para varias mezclas de petróleo. BORRADOR
72
Figura 2-35 Diagrama de fases de un fluido del reservorio.
Figura 2-36 Diagrama de fases de un fluido del reservorio
BORRADOR
38
3. Ecuaciones de Estado Un gas puede ser definido como un fluido homogéneo de baja densidad y baja
viscosidad, que no tiene una forma independiente ni volumen pero se expande para
llenar completamente el recipiente que lo contiene. Las propiedades del gas difieren
considerablemente de las propiedades de los líquidos, principalmente debido a que las
moléculas en los gases están mucho más apartadas que las moléculas en los líquidos.
Por lo tanto, un cambio de presión tiene un efecto más grande sobre la densidad de un
gas que en un líquido.
En este capítulo y en el siguiente, consideraremos varias ecuaciones de estado
usadas para describir la relación entre el volumen de un gas y su presión y
temperatura.
El gas ideal
Como un punto de partida en el estudio de las ecuaciones de estado de los gases
reales, consideraremos primero un gas hipotético conocido de un gas ideal.
Desarrollaremos la ecuación de estado de un gas ideal de dos maneras, primero de
evidencia experimental y luego de la teoría cinética. La forma de la ecuación para un
gas ideal será usada como la base de las ecuaciones para los gases reales.
Un gas ideal tiene estas propiedades.
1. El volumen ocupado por las moléculas es insignificante con respecto al
volumen ocupado por el gas.
2. No hay fuerzas atractivas o repulsivas entre las moléculas o entre las
moléculas y las paredes del contenedor.
3. Todas las colisiones de moléculas son perfectamente elásticas, esto es, no hay
una perdida interna de energía debido a colisiones.
Veremos luego porque las moléculas de un gas ideal deben tener estas propiedades.
Ecuación de Boyle
Boyle experimentalmente observo que el volumen de un gas ideal es inversamente
proporcional a la presión para una masa dada de gas cuando la temperatura es
mantenida constante. Esto puede ser expresado como:
Ecuación 3-1
1 o constante.V pV
p
Ecuación de Charles
Un trabajo experimental no publicado atribuido a Charles permitió el descubrir que el
volumen de un gas ideal es directamente proporcional a la temperatura para una masa
dada de gas cuando la presión es mantenida constante. Simbólicamente,
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39
Ecuación 3-2
o constanteV
V TT
Ley de Avogadro
La ley de Avogadro dice que, bajo las mismas condiciones de temperatura y presión,
volúmenes iguales de todos los gases ideales contienen el mismo número de
moléculas. Esto es equivalente a la declaración que a una temperatura dada y presión
un peso molecular de cualquier gas ideal ocupa el mismo volumen de un peso
molecular de cualquier otro gas ideal.
Hay 262.76 10 moléculas por libra mol de gas ideal.
La Ecuación de Estado para un Gas Ideal
Las ecuaciones de Boyle, Charles y Avogadro pueden ser combinadas para dar una
ecuación de estado para un gas ideal.
Debemos imaginar en proceso de dos pasos en orden de combinar la ecuación de
Charles y la de Boyle para describir el comportamiento de un gas ideal cuando ambas,
temperatura y presión son cambiadas. Comenzaremos con una masa dada de gas con
un volumen 1V a presión 1p y temperatura 1T y llegaremos a un volumen 2V a presión
2p y temperatura 2T .
Ecuación 3-3
1 1 1 1 2 1
2 2 2 2
a , Paso1 constante a ,
Paso2 constante a ,
V p T T V p T
p V p T
El primer paso es un cambio de la presión de un valor de 1p a un valor de 2p . La
temperatura es cambiada a un valor de 2T , causando que el volumen cambie a 2V . El
cambio en el volumen del gas durante el primer paso puede ser descrito a través del
uso de la ecuación de Boyle dado que la masa del gas y la temperatura es mantenida
constante. Así,
Ecuación 3-4
1 11 1 2 2
2
ó pV
pV p V Vp
donde V representa el volumen a la presión 2p y temperatura 1T .
La ecuación de Charles aplica a un cambio en el volumen de un gas durante el
segundo paso desde que la presión y la masa del gas son mantenidas constantes. Por
lo tanto,
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Ecuación 3-5
2 2 1
1 2 2
o V V TV
VT T T
La eliminación del volumen entre las Ecuación 3-4 y Ecuación 3-5 nos da
Ecuación 3-6
1 1 1 2
2 2
pV TV
p T
O
Ecuación 3-7
1 1 2 2
1 2
pV p V
T T
Así, para una masa dada de gas, pV T es una constante. Designaremos la constante
como el símbolo R cuando la cantidad de gas ideal es igual a un peso molecular.
Ecuación 3-8
MpVR
T
En este punto no sabemos si R es la misma para todos los gases ideales. Entonces
necesitaremos considerar la ley de Avogadro, que dice que un peso molecular de un
gas ideal ocupa el mismo volumen que un peso molecular de otro gas ideal a la misma
presión y temperatura. Esto es,
Ecuación 3-9
,MA MBV V
donde MAV representa el volumen de un peso molecular de gas A y MBV representa el
volumen de un peso molecular del gas B, ambos a la misma presión p y temperatura
T.
Por lo tanto, de la Ecuación 3-8
Ecuación 3-10
ó ,MA AA MA
pV R TR V
T p
Y
BORRADOR
41
Ecuación 3-11
ó MB BB MB
pV R TR V
T p
donde AR representa la constante del gas A y BR representa la constante del gas B.
la combinación de la Ecuación 3-9 , Ecuación 3-10 y Ecuación 3-11 revela que:
Ecuación 3-12
ó A BA B
R T R TR R
p p
Así, la constante R es la misma para todos los gases ideales y es llamada la constante
universal del gas.
Por lo tanto, tenemos la ecuación de estado para un peso molecular de cualquier gas
ideal,
Ecuación 3-13
,MpV RT
donde MV es el volumen de un peso molecular del gas, el volumen molar. Para n
moles de un gas ideal está ecuación se convierte en
Ecuación 3-14
,pV nRT
donde V es el volumen de n moles de gas a la temperatura T y presión p. Desde que n
es la masa de gas dividida por el peso molecular, la Ecuación 3-14 puede ser escrita
como
BORRADOR