Diseño, construcción y validación de una columna termogravitacional para bajas y altas presiones

Resumen

En esta tesis doctoral se ha desarrollado el estudio del efecto termogravitacional para altas presiones en medio libre con el que se podrá profundizar más en el comportamiento termohidrodinámico y en la determinación experimental de propiedades de transporte, en especial el coeficiente de difusión térmica en mezclas liquidas y licuadas. Los resultados experimentales obtenidos bajo presión mediante la nueva instalación termogravitacional son de gran interés para el desarrollo y el ajuste de los modelos numéricos y teóricos aplicados en la predicción y optimización de la exploración y explotación de pozos petrolíferos, siendo ésta la única instalación a escala internacional, hoy en día, que puede analizar experimentalmente el efecto termogravitacional en función de la presión. El eje central del trabajo de tesis ha sido el diseño, construcción y validación de una nueva columna termogravitacional preparada para trabajar a altas presiones, hasta 500 bar. Junto a esto, también se han diseñado los dispositivos adecuados para operar a altas presiones, cumpliendo la normativa de seguridad, y el procedimiento para la carga y la obtención y evaluación de las muestras. Para el diseño de la columna se ha puesto especial atención en las funciones y características críticas conocidas a través de la experiencia previa en el uso de esta técnica a presión atmosférica y del estudio del estado de arte. La columna termogravitacional desarrollada es de configuración cilíndrica y sus dimensiones son: altura 500mm; 1mm de ancho de gap; 5 tomas para muestras, repartidas uniformemente a lo largo de la columna y 0,99 de radio de curvatura. Una vez la columna termogravitacional fue validada a presión atmosférica utilizando las mezclas líquidas estudiadas en el Benchmark de FONTAINEUBLEAU y comprobando que opera dentro de los límites de validez de la teoría de FJO, la instalación ha sido utilizada para determinar el coeficiente de difusión térmica de las mezclas binarias de n- alkanos a presión atmosférica y a diferentes concentraciones. De este estudio se puede concluir que el coeficiente de termodifusión en mezclas de n- alkanos depende linealmente con la fracción másica. Este resultado permite determinar cuantitativamente valores de DT a partir del conocimiento de la viscosidad y el coeficiente de expansión térmica de la mezcla analizada. Para la determinación experimental del coeficiente de termodifusión en las mezclas IBB-n C12, THN-IBB y THN-n C12 a 25ºC de temperatura media y a presiones de trabajo en el rango de 20 a 200 bar, se miden experimentalmente los valores de las propiedades termofísicas a altas presiones y el grandiente de densidades a lo largo de la columna en el estado estacionario. De los resultados obtenidos se concluye que el coeficiente DT disminuye con la presión y se ajusta a una recta para las tres mezclas estudiadas. Esta dependencia del coeficiente de termodifusión con la presión es debida fundamentalmente a la variación de la viscosidad con la presión. Del mismo modo que para el caso de las mezclas binarias de n- alkanos a presión atmosférica, se encontró para las mezclas del Benchmark (THN- IBB y nC12-IBB) que el coeficiente de difusión térmica es proporcional al cociente entre el coeficiente de expansión térmica y la viscosidad dinámica DT ¿ ¿/¿, sin embargo para la mezcla nC12-THN, esta dependencia de DT en función de ¿/¿ depende además de la presión.