Haydee Morales1, Shirley Zamara Vargas2 y José Avelino Olaya3
En este articulo se presenta las curtas de destilación elaboradas del análisis a 10 muestras de crudos pertenecientes a la Sub-Cuenca Neiva por medio de una investigación experimental. Esta experiencia se llevó a cabo en un equipo de destilación manual Koehler modelo G-142-K45000 al cual se le realizó el manual de operaciones conforme al método estandarizado ASTM D86-04. Para lograr la caracterización de los crudos según súbase, los datos obtenidos experimentalmente ímciahnente fueron corregidos por presión, pérdidas y por craqueo térmico; este último parámetro según Hadden (1990) (citado por Perry. 1997), posteriormente se utilizan las expresiones propuestas por Watson (1935), Whitson (1980) y el cálculo de la Constante de Gravedad - Viscosidad (VGC) para lograr la caracterización según su base de las muestras estudiadas: también se presenta un reporte detallado con los resultados obtenidos mediante el análisis de las curvas de destilación de las fracciones C7+ como: Temperatura promedio volumétrica. Temperatura promedio peso. Temperatura promedio cúbica. Temperatura promedio molaL Gravedad específica. Factor de caracterización. Peso molecular y Propiedades seudociiticas, por medio del cual se permite clasificar las muestras de los campos Ay B, en base mixta: Naftémca- Parafimca, con influencia predominante nafténica; las muestras de los campos C, D y E. en base mixta: Parafimca- Naftémca, con influencia predominante parafinica y la muestra del campo F: Nafténica- Aromática con influencia predominante nafténica.
Palabras claves: Caracterización de los crudos según su base; Curvas de destilación; Método estandarizado ASTM D86-04.
In this article, it is presented the distillation curves elaborated through the analysis to ten samples of crude oil, belonging to Neiva Sub-Basin through an experimental research. Tins experience is carried out in a manual distillation equipment Koehler model G-142-K45000 to which the manual operations were performed according to the standardized method ASTM D86-04. To obtain the crudes characterization according to their basis, the data obtained experimentally, are corrected initially by pressure, losses and by thermal cracking, this last parameter, according to S.T. Hadden(1990) (cited by Petr)'; 1997), later on the expressions proposed by Watson (1935), Whitson (1980) and the calculation of the grant}' constant - viscosity are used to obtain the characterization according to its basin of the studied samples; it is also provided a detailed report with the obtained results by means of the analysis of the distillation curves of the fractions C7+ as: volumetric average temperature, weight average temperature, cubic average temperature, molar average temperature, specific gravity, characterization factor, molecular weight and pseudo critical properties, by which we would like to classify’ the samples of the fields A and B, based mixed: naphthenic -paraffinic, naphthenic with predominant influence, and samples of the fields C, D and E, based mixed: Paraffin-naphthenic, with predominant influence paraffinic and field sample F: Aromatic with naphthenic-naphthenic predominant influence.
Key words: Characterization of crude oils according to their basis; curves of distillation; standardized method.ASTM D86-04
Las propiedades fisicoquímicas de los petróleos varían con su procedencia, incluso si se trata de distintos pozos de un mismo yacimiento y también en los crudos extraídos de las diferentes zonas productoras en el mismo pozo. La bibliografía especializada habla de hidrocarburos de más de 80 átomos de carbono presentes en los petróleos que dan mezclas sumamente complejas (Cerutrí. 2002).
La capacidad del petróleo para producir una lista de productos predeterminados se determinará por la aplicación de una sene de métodos analíticos (Speight, 2001) que proporcionan información suficiente para evaluar la calidad potencial del petróleo corno materia prima, de acuerdo a las propiedades físicas tales como el punto de ebullición, la densidad relativa y la gravedad API se expresa la calidad del petróleo crudo, dando aproximadamente el carácter general, pao no su composición quimica. Para su anáfisis, procesamiento y comaciafización se clasifica en varios grupos llamados bases, la cual se determina por medio del tipo estructural y la cantidad relativa de hidrocarburos presentes (Carrillo, 1985).
El aislamiento de los compuestos puros de petróleo ha sido una tarea compleja, junto con los constituyentes de las fracciones de mayor peso molecular, y la presencia de compuestos de azufre, oxigeno y nitrógeno; siendo la causa principal de la dificultades encontradas en el momento de producir, transportar, almacenar y refinar, de ahi la necesidad de un conocimiento más exacto de la composición de los crudos y sus productos (Gerald, 2009).
La destilación es el primer procedimiento realizado al petróleo crudo por medio de calor para realizar la separación de sus componentes permitiendo la determinación del rendimiento de los diferentes cortes como gas, nafta, gasolina, etc. Por medio de este procedimiento de laboratorio se obtienen propiedades necesarias para la realización de las curvas de destilación.
A pesar del considerable desarrollo de la termodinámica y de las teorías moleculares, la mayoría de los métodos utilizados hoy en dia son empíneos, y su utilización exige el conocimiento de valores experimentales. Sin embargo, se recurre a métodos predictivos para obtener valores precisos que se necesitan en la industria y que no se pueden obtener experimentalmente a fin de obtener un análisis completo y un aprovechamiento a las cunas de destilación (Rand, 2003).
Esta investigación en primera instancia, puntualiza de fonna habitual, los cálculos y ajustes realizados a las pruebas de destilación según el método ASTM D 86-04 para obtener las respectivas cunas de destilación. En segunda instancia, se hace énfasis en tres métodos con los cuáles se caracterizan las muestras de crudo según la naturaleza de hidrocarburos contenidos en estos.
La técnica ASTM D 86-04 fue utilizada al ser un método de estudio sistemático, analítico, descriptivo y sencillo para conseguir el objetivo de la investigación. El procedimiento es barato, rápido de ejecutar, y repetible en un grado razonable de precisión (por lo general de 6 °F [3,3 °C]) (ASTM, 2004).
La temperatura y el volumen condensado son tomados simultáneamente, generando como resultado el punto de ebullición como una función del volumen condensado; el resultado del ensayo se calcula y refleja bajo la forma de temperatura de ebullición en función del volumen destilado.
Para el procesamiento de los datos se hizo uso de principios matemáticos y de ingeniería y las ecuaciones que describen y explican el comportamiento de la temperatura de destilación de las fracciones de hidrocarburos C7+ para generar soluciones analíticas basadas en la aplicación de la técnica ASTM D- 86-04 (ASTM 2004) y con las cuales es posible especificar los crudos según su base o naturaleza.
La ecuación (1) se desarrolló durante el curso del trabajo de Sidney Young en separaciones de destilación y mediciones de equilibrio (vapor + liquido), el uso de la constante es una simplificación de la fonna original de la ecuación SY (Young, 1922).
Aunque la mayor parte del petróleo crudo puede ser calentado a 600 °F (316 °C) sin agnetamiento notable, cuando las temperaturas ASTM exceden 475 °F (246 °C), los gases pueden desplegarse, lo que indica descomposición, que puede causar lecturas bajas del termómetro. En ese caso, se aplica la siguiente ecuación (Peny, 1997):
La tabla 1 muestra los datos adquiridos en la destilación ASTM D-86-04 a la muestra Al: En la primera columna el porcentaje de volumen obtenido, en la segunda la corrección del volumen debido a las pérdidas, en la tercera columna la temperatura en °C y °F observada y en la cuarta columna los datos de temperaturas llevados a presión de 760 mm Hg.
Con los datos de la tabla 1, se realizan las respectivas curvas ASTM preliminar corrigiendo el volumen por pérdidas.
Con los datos experimentales de la figura 1 se realizó la curva ASTM y se extrapoló para obtener estos valores de temperatura de ebullición en función de la línea de tendencia de la curva.
Los datos de la destilación ASTM D-Só-04 se muestran corregidos por presión atmosférica y las temperaturas superiores a 475 °F (246 °C) se corrigen por craqueo según Hadden (1990) (citado por Perry, 1997). según la ecuación (4), luego los resultados obtenidos se tabulan en la tabla 2.
Para logar una visualization más amplia de los datos plasmados, se procede a realizar las respectivas gráficas donde se muestran las cuntas ASTM finales de los campos evaluados (figura 2 a figura 5).
Corrección generalizada de Whitson. Whitson (1980) sugiere que el factor de Watson puede coirelacionarse con el peso molecular (Af) y la gravedad especifica (y) en la siguiente expresión (Ahmed, 2007):
Asi, la Kw de los hidrocarburos para las diferentes senes químicas tanto para el método de Watson-Muiphy como el de Whitson, son los siguientes (Speight, 2002):
• Compuestos parafinicos tienen un del orden de 12.5 a 13.
• Compuestos ñafíemeos, del orden de 10.5 a 12.5.
• Compuestos aromáticos, del orden menor de 10.5
Constante de viscosidad - gravedad (VGC) de crudos. Es una función útil para la caracterización aproximada de las fracciones viscosas del petróleo. Es relativamente insensible al peso molecular y está relacionada con la composición de los fluidos. Este método requiere calcular la viscosidad a 40°C (104°F) y la densidad a 15.55°C (60°F). Aparta de estos datos se utiliza la siguiente ecuación para calcular el VGC (ASTM D 250-91,2005):
Los valores para los factores de caracterización Kw de Watson (1935) y Whitson (1980), muestran que según el rango, las muestras: Al, A2, A3, BI B2, Cl, C2, DI y El son base nafténica, mientras la muestra F1 es de base aromática.
Según los parámetros de la Constante Viscosidad-Gravedad, las muestras Al, A2, A3, son crudos de base Naftémco -Parafinica. con influencia nafténica. Las muestras BI, B2, Cl, C2, DI y El son muestras de base Parafínico-nafténica, con influencia parafinica. La muestra F1 es de base Nafténica- aromática, con influencia predominante nafténica.
Propiedades Adicionales. La tabla 4 contiene los factores de corrección para evaluar la temperatura promedio en peso (TPW), temperatura promedio medio (TPMe) y la temperatura promedio molal (TPM) leídos de la gráfica “caracterización del punto de ebullición de los factores del petróleo” (GPSA, Libros de datos técnicos API) (Pana, 1997).
Los valores de VGC de 0,8 equivalen a una muestra parafinica, a medida que aumenta el VGC aumenta el contenido de ñafíemeos hasta llegar a 0,9 que conesponde a una muestra nafténica. En aumento de VGC después de 0.9 aumenta el contando de aromáticos hasta llegar a 0,98 que corresponde a una muestra aromática.
La tabla 3 muestra los valores obtenidos a partir de la correlación generalizada de Wlntson (1980) para las muestras de los campos en estudio:
Dónde:
TPV: Para las ecuaciones 8 a 10 se encuentra en la columna 2 de la tabla 4.
Fe: Factor de corrección diferente para cada temperatura, ver tabla 4.
Se logró caracterizar todas las muestras del presente estudio, a través del método UOP 375-07: Calado del Factor de Caracterización UOP y Estimación del Peso Moleadar de los Crudos, el cual es el mismo factor de caracterización de Watson , la correlación generalizada de Whitson y el método estándar para el cálculo de la constante viscosidad - Gravedad (VGC), asegurando unos resultados más concretos y fiables al tener en cuenta las distintas variables como lo son: temperatura de ebullición cubica, viscosidad del crudo y la gravedad especifica de las fracciones C7- de las muestras analizadas.
A partir de los datos arrojados por los tres métodos evaluados, se encontró que la caractenzación según su base de las muestras de crudo de la Subcuenca de Neiva es la siguiente: las muestras de los campos A, y B, son base nnxta: Nañénica-Parafímca. con influencia predominante nañémca; las muestras de los campos C, Dy E, son base mixta: Parafimca- Nafténica, con influencia predominante parafimca y la muestra del campo F: Nafténica-Aromática con influencia predominante nafténica.
A pesar que la temperatura de ebullición, se ve influenciada por agentes desemulsificantes orgánicos de origen aromático, otros métodos que contienen variables distintas a la temperatura se muestran producentes para tener datos precisos y corroborar la exactitud y confiabilidad de utilizar la metodología de destilación con el fin de caracterizar crudos según su base.
Los datos encontrados en el presente estudio coinciden y complementan los anáfisis realizados sobre destilación a crudos de las Subcuenca de Neiva.
1. Ahmed T, 2007. Equations of State and PVT Analysis: Applications for Improved Reservoir Modeling. Gulf Publishing Company; Houston. Texas. 63-99 p.
2. ASTM International, 2004. Standard Test Method for Distillation of Petroleum Products at Atmospheric Pressure, Designation: D86 - 04, West Conshohocken. 22 p.
3. ASTM International. 2005. Standard Test Method for Calculation of Viscosity-Gravity Constant (VGC) of Petroleum Products, Designation: D25O1 - 91, West Conshohocken. 3p.
4. Camilo, J. 1985. Propiedades del Petróleo. Universidad Nacional de Colombia. Medellin, Colombia. 61-73 p.
5. Ceram. A., 2002. La Refinación del petróleo. Tomo L Ed. Instituto Argentino del Petróleo y del Gas. .Argentina. 128 p.'
6. Gerald L, 2009. Some Aspects of Petroleum Refinery Simulation. En: Speakers Series, Universidad Columbia Británica. 22 p.
7. Pana, R_, 1997. Diseño, Construcción, Montaje y Puesta en marcha de un equipo de destilación de hidrocarburos Equidos, Universidad Surcolombiana, Neiva. 18-28 p.
8. Penv. R.H. & Green. D. W. 1997. Perry's Chemical Engineers' Handbook. Seventh Edition. McGTaw-HüL EE.UU. 87-88 p.
9. Rand, Salvatore I; 2003. Significance of Tests for Petroleum Products, ASTM International Seventh Edition. Bridgeport, New Jersey. 258 p.
10. Speight J.G, 2002. Handbook of Petroleum Product Analysis. Honeywell Company. Edit., John Willey Sons, Inc., New Jersey. 140-146 p.
11. Young, Sydney, 1922. Distillation Principles And Processes, Macmillan &Co., Limited, ST. Martin’s Street, London. 509 p.