Termodinámica de Fases: Diagramas P-T en Sistemas de Componente Único

Introducción a los Diagramas de Fases de Hidrocarburos Puros

La mejor forma de estudiar el comportamiento cualitativo de sistemas de hidrocarburos es a través de los diagramas de fases. Por medio de estos diagramas, puede conocerse el estado del fluido a determinadas condiciones de presión y temperatura, es decir, si existe 1, 2 o 3 fases (gas, líquido, sólido) en equilibrio bajo las condiciones impuestas.

Aunque sabemos que en los yacimientos no existen sistemas de un solo componente, sino una mezcla de ellos, es conveniente comenzar por entender el comportamiento de los componentes puros. Esto ayuda a comprender las propiedades de sistemas de una sola fase y, posteriormente, de sistemas más complejos (hidrocarburos), tal como ocurren en los yacimientos.

Un sistema compuesto por un solo componente (una sustancia pura) puede presentarse como vapor, líquido o sólido, dependiendo de las condiciones de presión y temperatura. Un diagrama típico de presión-temperatura (P-T) para un sistema de hidrocarburos de un solo componente (ver Figura 1) ilustra lo siguiente:

• A la izquierda de la línea DHF, el sistema es sólido.
• A la derecha de la línea FHC, el sistema es todo gas o vapor.
• En la parte comprendida por DHC, el sistema es todo líquido.

Cuando las condiciones de presión y temperatura caen exactamente sobre las líneas, se observan sistemas en equilibrio. Por ejemplo:

• Los puntos sobre la línea FH representan condiciones de sistemas sólido-gas (vapor) en equilibrio.
• Los puntos sobre la línea DH representan condiciones de sistemas sólido-líquido en equilibrio.
• Los puntos sobre la línea HC representan condiciones del sistema líquido-gas (vapor) en equilibrio.

Bajo estas condiciones de equilibrio, existen dos fases en el sistema.

Puntos Característicos en el Diagrama P-T

El punto C es el punto crítico. Por encima de la presión y temperatura críticas, solo existe una fase y en esta zona se habla de un "fluido". Tal como se mencionó antes, las propiedades intensivas del vapor y del líquido son idénticas en este punto.

El punto H es conocido como punto triple, el cual indica la presión y temperatura a la que las tres fases (sólido, líquido y vapor) coexisten bajo condiciones de equilibrio.

Aplicación de la Regla de Fases de Gibbs a Sistemas de un Solo Componente

La Regla de Fases de Gibbs se expresa como:

F = C – P + 2

Donde:

• F = número de grados de libertad
• C = número de componentes
• P = número de fases
• 2 = número de variables de estado del sistema (temperatura y presión)

Para un solo componente, C = 1, por lo que la ecuación se simplifica a:

F = 3 – P

En resumen, para un sistema de un solo componente:

• Cuando existe solo una fase, el sistema es bivariante (F = 3 - 1 = 2).
• Cuando existen dos fases en equilibrio, el sistema es univariante (F = 3 - 2 = 1).
• Cuando existen tres fases en equilibrio, el sistema es invariante (F = 3 - 3 = 0).

Consideraciones en Ingeniería de Petróleo

En Ingeniería de Petróleo, raras veces se trabaja con hidrocarburos en estado sólido. Por consiguiente, la parte correspondiente al estado sólido del diagrama de la Figura 1 generalmente no aparece en la literatura petrolera.

Solo vale la pena mencionar que la curva HF representa la presión de sublimación en función de la temperatura, lo que significa que un componente en estado sólido pasa directamente a vapor sin transitar por el estado líquido. La línea HD representa la temperatura de fusión en función de la presión. Para hidrocarburos puros, generalmente la temperatura de fusión aumenta con la presión; sin embargo, para otros componentes puros, como el agua, disminuye.

Transición a Sistemas Multicomponente

Cuando se agrega un segundo componente a un sistema, su comportamiento se vuelve más complejo debido a la introducción de una nueva variable: la composición. El efecto de esta nueva variable puede observarse comparando los diagramas de uno y dos componentes, como los mostrados en las Figuras 2 y 3 para el caso de diagramas P-T.

En un sistema binario o de más componentes, y para una composición dada, las líneas de puntos de burbujeo y de rocío ya no coinciden.