Introducc ión A La Gasotecnia
CONTENIDO. Gas. Se denomina denomina gas a un estado de agregación de la materia en materia en el cua cuall las fuerza fuerzass intera interatóm tómica icass o interm intermole olecul culare aress de una sustancia son tan pequeñas que no adopta ni forma ni volumen jo, tendiendo a expandirse todo lo posible para ocupar todo el volumen del volumen del recipiente que la contiene.
Gas Natural. Es una mezcla inamable de idrocarburos gaseosos que se encu en cuen entr tra a frec frecue uent ntem emen ente te en !aci !acimi mien ento toss fósi fósile les, s, so solo lo o acompañand acompañando o al petróleo petróleo o a los depósitos de carbón carbón.. "unque su co comp mpos osic ició ión n var# var#a a en func funció ión n de dell !aci !acimi mien ento to de dell qu que e se extrae, est$ compuesto principalmente por metano en cantidades que com%nmente pueden superar el &' o &(), ! suele suele con conten tener er otros otros gases como nitrógeno nitrógeno,, etano etano,, *+, -S, butano,, propano butano propano,, me merc rcap apta tano noss ! traz trazas as de idrocarburos m$s pesados. Se utilizan grandes vol%menes como combustibles ! en la s#nt s#ntes esis is de co comp mpue uest stos os org$ org$ni nico cos. s. El ga gass na natu tura rall tien tiene e un una a enorme importancia no sólo como fuente de energ#a primaria, sino sino tamb tambi in n co como mo ma mate teri ria a prim prima a b$ b$si sica ca de la indu indust stri ria a petroqu#mica. /iene grandes ventajas en relación con los dem$s combustibles fósiles, !a que es de f$cil utilización ! control, no produ roduc ce con onttam amin inac ació ión n ! tie tiene un eleva levado do rend rendim imie ient nto o energ energtic tico. o. Se utiliz utiliza a es espec pecial ialmen mente te para para nes nes dom domst stico icoss ! comerciales 0cocina, agua caliente, calefacción1 e industriales 0centrales trmicas, calderas, etc1. El gas natural que se obtiene debe ser procesado para su uso comercial o domstico. "lgunos de los gases de su composición se extraen porque no tienen capacidad energtica 0nitrógeno o *+1 o porque pueden depositarse en las tuber#as usadas para su distribución debido a su alto punto de ebullición. ebullición. El propano, butano e idrocarburos m$s pesados en comparación con el gas natural son extra#dos, puesto que su presencia puede causar accident accidentes es durante la combustión combustión del gas natural. natural. El vapor de agua tambin se elimina por estos motivos ! porque a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente ! presiones altas forma i idr drat atos os de me meta tano no qu que e pu pued eden en ob obst stru ruir ir los los
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gaseoductos. 2os compuestos de azufre son eliminados asta niveles mu! bajos para evitar corrosión ! olores perniciosos. -a! que notar que para uso domstico, al igual que al butano, se le añade unas trazas de metil3mercaptano metil3mercaptano,, para que sea f$cil detectar una fuga de gas ! evitar su ignición espont$nea.
Composición Del Gas Natural. 2a composición del gas natural inclu!e diversos idrocarburos gaseosos, con predominio del metano, por sobre el &'), &'), ! en proporc proporcion iones es men menore oress etano, etano, propan propano, o, butano butano,, pentano ! pequeñas proporciones de gases inertes como dióxido de carbono ! nitrógeno.
Composición Típica del Gas Natural: Hidrocarburo
Composición uímica
!an"o #en
%$4etano
*-5
&63&(
Etano
*-7
37
8ióxido de *arbono
*+
'3
9ropano
*:-; <
'3 '36
Clasi&cación Del Gas Natural. ' (e")n (u Ori"en: a. Ga Gass Na Natu tura rall As Asoc ocia iado do:: Se en encu cuen entr tra a en co cont ntac acto to !=o !=o disuelto en el aceite crudo del !acimiento. Este puede ser clasicado como gas de casquete 0libre1 o gas en solución 0disuelto1.
b. Gas Nat atu ural No Asociad ado o: >as >as na natu tura rall extr extra# a#do do de !acimientos que no contienen petróleo petróleo crudo.
' (e")n (u Composición:
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gaseoductos. 2os compuestos de azufre son eliminados asta niveles mu! bajos para evitar corrosión ! olores perniciosos. -a! que notar que para uso domstico, al igual que al butano, se le añade unas trazas de metil3mercaptano metil3mercaptano,, para que sea f$cil detectar una fuga de gas ! evitar su ignición espont$nea.
Composición Del Gas Natural. 2a composición del gas natural inclu!e diversos idrocarburos gaseosos, con predominio del metano, por sobre el &'), &'), ! en proporc proporcion iones es men menore oress etano, etano, propan propano, o, butano butano,, pentano ! pequeñas proporciones de gases inertes como dióxido de carbono ! nitrógeno.
Composición Típica del Gas Natural: Hidrocarburo
Composición uímica
!an"o #en
%$4etano
*-5
&63&(
Etano
*-7
37
8ióxido de *arbono
*+
'3
9ropano
*:-; <
'3 '36
Clasi&cación Del Gas Natural. ' (e")n (u Ori"en: a. Ga Gass Na Natu tura rall As Asoc ocia iado do:: Se en encu cuen entr tra a en co cont ntac acto to !=o !=o disuelto en el aceite crudo del !acimiento. Este puede ser clasicado como gas de casquete 0libre1 o gas en solución 0disuelto1.
b. Gas Nat atu ural No Asociad ado o: >as >as na natu tura rall extr extra# a#do do de !acimientos que no contienen petróleo petróleo crudo.
' (e")n (u Composición:
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a. Gas Dulce: Dulce:
b. Gas A"rio o *cido: >as natural que contiene cantidades sign signi ica cati tiva vass de su sulf lfur uro o de idró idróge geno no 0-S1, S1, dióx dióxid ido o de carbono 0*+1 ! otros componentes $cidos, razón por la cual se vuelve corrosivo en presencia de agua libre. Es import important ante e resalt resaltar ar que cua cuando ndo la produc producció ción n del gas $cido es alta, la velocidad de corrosión es elevada. El sulfuro de idrógeno se disocia en el agua formando un $cido dbil que ataca al ierro ! forma un sulfuro de ierro insoluble. El sulf su lfur uro o de ier ierro ro se ad adi ier ere e a la ba base se me met$ t$li lica ca ! pu pued ede e prot proteg eger er al me meta tall de un una a futu futura ra co corro rrosi sión ón co como mo tamb tambi in n puede ser erosionado exponiendo la supercie del metal de ier ierro ro a una po post ste erior rior corro orrosi sión ón.. 2ue 2uego el su sulf lfur uro o de idrógeno puede atacar al acero nuevo, causando formaciones adicionales de sulfuros. El dióxido de carbono en presencia de agua libre forma $cido carbónico, este $cido ataca al ierro formando un carbonato de ierro el cual es soluble ! con un calentamiento posterior desp de spre rend nde e *+. El ierro se idroliza para formar nuevamente sulfuro de ierro. El óxido de ierro es inestable ! sigue reaccionando. El efecto nocivo de la corrosión puede representar un impacto considerable en el diseño del proceso de las instal instalaci acione ones, s, lo que cau causar sar#a #a prdid prdidas as mon moneta etaria riass para las industrias. +tros de los efectos producidos por los gases $cidos es la contaminac contaminación ión en el ambiente. ambiente. 9or ejemplo el -S es un gas de alta alta toxi toxici cida dad d a% a%n n en ba baja jass co conc ncen entr trac acio ione ness pu pued ede e originar la irritación de los ojos, nariz ! garganta. "dem$s estos gases contribu!en al deterioro de la capa de ozono.
c. Gas !ic !ico o #H) #H)med medo%: o%: >ase >asess sin sin trat tratar ar prod produc ucid idos os en el !acimiento, conteniendo metano, etano, propanos, butanos ! gasolina. 2a denominación de %medo denota la presencia de
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idrocarburos l#quidos ! f$cilmente licuables. >as que contiene vapor de agua.
d. Gas
+obre
#(eco%:
>as con relativamente pocos idrocarburos diferentes al metano.
as que no contiene vapor de agua, o sea gas ?sin agua?.
,ormación Del Gas Natural. 2as teor#as m$s conocidas sobre los procesos que originan el petróleo ! el gas natural son dos@
' Teoría Or"-nica: El petróleo ! el gas natural se forman bajo la supercie terrestre por la descomposición de organismos marinos. 2os restos de animales min%sculos que viven en el mar 0!, en menor medida, los de organismos terrestres arrastrados al mar por los r#os o los de plantas que crecen en los fondos marinos1 se mezclan con las nas arenas ! limos que caen al fondo en las cuencas marinas tranquilas. Estos depósitos, ricos en materiales org$nicos, se convierten en rocas generadoras de crudo. 2os sedimentos se van aciendo m$s espesos ! se unden en el suelo marino bajo su propio peso. " medida que van acumul$ndose depósitos adicionales, la presión sobre los situados m$s abajo se multiplica por varios miles, ! la temperatura aumenta en varios cientos de grados. El cieno ! la arena se endurecen ! se convierten en esquistos ! areniscaA los carbonatos precipitados ! los restos de caparazones se convierten en caliza, ! los tejidos blandos de los organismos muertos se transforman en petróleo ! gas naturalA 2os cuales al ser menos densos que la roca, tienden a ascender asta quedar atrapados debajo de rocas impermeables, formando grandes depósitos. 2a ma!or parte de estos combustibles se encuentran en rocas de unos '' millones de años de antigBedad como m$ximo.
' Teoría Inor"-nica: Seg%n esta teor#a, el origen de estos idrocarburos se debe a la combinación de elementos qu#micos
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como el carbono ! el idrógeno sometidos a altas temperaturas ! presiones, ubicados en capas mu! profundas de la tierra.
Localiación Del Gas Natural. El gas natural se acumula en bolsas entre la porosidad de las rocas subterr$neas. 9ero en ocasiones, se queda atrapado debajo de la tierra por rocas sólidas que evitan que el gas u!a, form$ndose lo que se conoce como un !acimiento. El gas se suele encontrar en !acimientos de petróleo o cerca de ellos, aunque tomando en cuenta su estado gaseoso, puede presentarse tambin solo. Este se puede allar en forma ?asociado?, cuando en el !acimiento aparece acompañado de petróleo, o gas natural ?no asociado? cuando est$ acompañado %nicamente por pequeñas cantidades de otros idrocarburos o gases.
+ropiedades / Comportamiento Del Gas Natural. 9ara el comportamiento trmico de part#culas de la materia existen cuatro cantidades medibles que son de gran inters@ presión, volumen, temperatura ! masa de la muestra del material. *ualquier gas se considera como un uido, porque tiene las propiedades que le permiten comportarse como tal. Sus molculas, en continuo movimiento, logran colisionar las paredes que los contiene ! casi todo el tiempo ejercen una presión permanente. *omo el gas se expande, la energ#a intermolecular 0entre molcula ! molcula1 ace que un gas, al ir añadindole energ#a calor#ca, tienda a aumentar su volumen. Cn gas tiende a ser activo qu#micamente debido a que su supercie molecular es tambin grande, es decir entre cada part#cula se realiza ma!or contacto, aciendo mas f$cil una o varias reacciones entre las sustancias. 9ara entender mejor el comportamiento de un gas siempre se realizan estudios con respecto al gas ideal aunque este en realidad nunca existe ! las propiedades de este son@ Cn gas est$ constituido por molculas de igual tamaño ! masa, pero una mezcla de gases diferentes, no.
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Se le supone con un n%mero pequeño de molculas, as# su densidad es baja ! su atracción molecular es nula.
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El volumen que ocupa el gas es m#nimo, en comparación con el volumen total del recipiente.
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2as molculas de un gas contenidas en un recipiente, se encuentran en constante movimiento, por lo que cocan, !a entre s# o contra las paredes del recipiente que las contiene.
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9ara explicar el comportamiento de los gases, las nuevas teor#as utilizan tanto la estad#stica como la teor#a cu$ntica, adem$s de experimentar con gases de diferentes propiedades o propiedades l#mite, como el CD7, 0Exauoruro de uranio1 que es el gas m$s pesado conocido. 2as molculas de los gases est$n dotadas de velocidad de traslación considerable para un mismo gas, esta velocidad depende solamente de la temperatura. En sus movimientos desordenados cocan unas contra otras, repelindose constantemente, de lo que resulta una fuerza contra las paredes del recipiente que lo contiene ! que es causa de la presión de los gases.
Los "ases se caracterian: a. 9or carecer de forma ! volumen propio, debido a su uidez. b. Son compresibles, es decir su volumen puede disminuir cuando se ejerce una fuerza sobre ellos.
c. Son el$sticos porque recuperan su volumen cuando cesa la fuerza que los a comprimido.
d. Son expansibles porque tienden a ocupar un volumen cada vez ma!or.
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0sos Del Gas Natural. El gas natural tiene diversas aplicaciones en la industria, el comercio, la generación elctrica, el sector residencial ! el transporte de pasajeros. +frece grandes ventajas en procesos industriales donde se requiere de ambientes limpios, procesos controlados ! combustibles de alta conabilidad ! eciencia. El procesamiento es la fase a la cual se somete el gas natural para la separación de sus componentes principales. 2os componentes que se obtienen del procesamiento del gas natural, puros o mezclados son utilizados como se muestra a continuación@
' El etano es utilizado por la industria petroqu#mica como materia prima para la fabricación de etileno ! sus derivados.
' El propano ! n3butano, puros o mezclados, tienen una gran demanda como combustible domstico, comercial e industrial. Estos idrocarburos tambin conocidos como gases licuados del petróleo 0>291 son distribuidos en recipientes com%nmente llamados bombonas de gas, para el consumo en el mercado interno. El propano ! el butano tambin se utilizan como materia prima en la industria petroqu#mica.
' El iso3butano es utilizado como insumo en los procesos de aniquilación en las rener#as para la obtención de gasolina de motor.
' 2os pentanos ! productos m$s pesados tambin conocidos como gasolina natural se usan en la elaboración de gasolina para automotores, solventes para pintura, etc.
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En el siguiente cuadro se presentan algunas de las aplicaciones m$s comunes de gas natural@
(ector
ndustrial
*omercio ! Servicios
Energ#a
Fesidencial /ransporte de pasajeros
Aplicaciones1+rocesos >eneración de vapor ndustria de alimentos Secado *occión de productos cer$micos Dundición de metales /ratamientos trmicos /emple ! recocido de metales >eneración elctrica 9roducción de petroqu#micos Sistema de calefacción -ornos de fusión *alefacción central "ire acondicionado *occión=preparación de alimentos "gua caliente *ogeneración elctrica *entrales trmicas *ocina *alefacción "gua caliente "ire acondicionado /axis
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Guses
+er2oración3 +roducción 4 !e&nación Del Gas Natural. Cna vez que los !acimientos de gas son ubicados, se procede a la explotación ! a la comercialización del producto. 9ara perforar un !acimiento de gas, se utiliza la misma tecnolog#a de perforación aplicada para el petróleo. Sin embargo, en la perforación de los !acimientos de gas, se presentan ma!ores riesgos operacionales que en la de los petrol#feros. 2a baja densidad del gas le permite mezclarse con ma!or facilidad con el lodo de perforación, lo que tiende a reducir la densidad de ste ! por lo cual a! que tomar ma!ores precauciones en dicas operaciones. 9ara poder determinar la cantidad de gas que contiene cada !acimiento, as# como para determinar sus caracter#sticas, se realizan pruebas de evaluacionesA las cuales suministran información sobre la presión ! el ujo de los !acimientos en función del tiempo ! permiten estimular las reservas ! su taza de agotamiento. En cuanto a producción, la ma!or#a de los depósitos de petróleo crudo tienen gas natural asociado al mismo tiempo, siendo este gas disuelto en el l#quido debido a las altas presiones ! temperaturas del !acimiento. Este gas se separa luego del petróleo en la supercie, por simple reducción de presión. Sin embargo, mucos de los !acimientos tienen una capa de gas encima del petróleo ! gracias a la presión que este gas ejerce sobre la supercie del l#quido, es posible extraer al
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principio el petróleo con relativa facilidad, naturalmente sin tener que bombearlo.
porque u!e
9or otra parte existen !acimientos que contienen solamente gas natural, es en este caso que se abla de gas no asociado, el cual se extrae directamente por medio de pozos petrol#feros similares a los usados en el crudo. El gas natural por ser una mezcla de idrocarburos livianos, no contiene mucas impurezas t#picas del petróleo, ! por lo tanto no necesita tratamientos complicados para renarlos. G$sicamente se trata de extraerle las siguientes impurezas@ H -idrocarburos 9esados 02#quidos1@ por enfriamiento, compresión, absorción o adsorción.
medio
de
H Sulfuro de -idrógeno ! 4ercaptanos@ por medio de plantas de IEndulzamientoJ que neutralizan estos compuestos. H 8ióxido de *arbono@ si estuviera presente en cantidades apreciables puede extraerse por absorción con una solución alcalina. >eneralmente el gas natural contiene una porción interesante de gases licuables como el propano ! el butano. En estos casos, el gas natural se env#a a la planta de absorción, donde estos idrocarburos se extraen ! se licuan posteriormente para venta en los mercados locales. 8e estas plantas se producen tambin pequeñas cantidades de gasolina natural, compuesta por los idrocarburos m$s pesados 0pentano, exano, etc.1 la cual se utiliza en parte como l#quido de absorción en la misma planta de gas. *uando es factible, el exceso se incorpora como componente a las gasolinas comerciales.
5ercadeo Del Gas Natural. 2a parte nal del manejo del gas la constitu!e el transporte desde las instalaciones de los campos ! las entregas de vol%menes determinados a los mercados en ruta. Estas dos fases representan en la pr$ctica el mercadeo ! la comercialización del gas. 8e acuerdo con las modalidades
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mundiales para este tipo de operaciones cabe mencionar aspectos interesantes@ Se da el caso de que existen empresas integradas cu!as operaciones 0exploración, perforación, producción, transporte ! mercadeo1 est$n dedicadas exclusivamente al gas ! no producen petróleo. Son empresas especializadas en el negocio del gas. Existen otras empresas integradas que se dedican ma!oritariamente al petróleo ! que pueden disponer de grandes vol%menes de gas asociado ! de gas libre que las pueden inducir a comercializar el gas parcialmente o totalmente. Esto es que venden su gas a otras empresas ! no se ocupan del mercadeo o podr#an optar por transportar, distribuir ! vender gas directamente. -a! casos en que el gas lo manejan varias empresas. 9rimer, la que lo produce ! acondiciona. Segundo, la que lo transporta ! es dueña del sistema de gasoductos, ! tercero, la que se encarga de la distribución ! venta del gas en determinados mercados de su competencia.
Transporte Del Gas Natural. El gas se transporta por tuber#as, gasoductos, cu!os di$metros pueden ser de 6' a 6 cent#metros, seg%n el volumen ! la presión requerida de transmisión. 2a longitud del gasoducto puede ser de unos cientos de metros a miles de Kilómetros, seg%n la fuente de origen del gas ! los mercados que lo requieran. " medida que las distancias para transportar gas sean m$s largas, se presenta la consideración de comprimir el gas a presiones m$s elevadas para que llegue a los diferentes puntos de entrega en la ruta de la red de gasoductos. Esto signica la necesidad de instalar estaciones de compresión en ciertos puntos. 2a compresión es un factor económico importante en la transmisión de gas por gasoductos largos. 2a compresión del gas se puede acer por etapas, generalmente se emplea una primera, segunda ! tercera etapa de compresión, que pueden satisfacer las presiones requeridas, al tomarse en consideración la presión de entrada ! de salida, la relación de compresión, la
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temperatura de entrada ! de salida, el peso molecular del gas, para determinar la potencia de compresión requerida para determinado volumen jo de gas, o sea 6.'''.''' de pies : ó ;.:' metros: diarios. En la pr$ctica, para este volumen ! considerando todos los rangos de los par$metros antes mencionados, la potencia de la primera etapa puede estar entre :' ! 6' caballos de potencia 0c.d.p1, la segunda entre 6' ! (', ! la tercera entre (' ! :(. Estos rangos de etapas ! potencia cubren presiones de descarga desde ( a :.('' 2pc, o sea desde 6,L( a 57 Mg=cm .
Distribución Del Gas Natural. 8e los campos de gas parten los gasoductos principales acia los centros de consumo. Sin embargo, en el tra!ecto puede ser que ramales del gasoducto va!an a otros sitios para llevar gas a determinadas poblaciones ! de igual manera, en ciertos puntos, pueden un#rsele al gasoducto principal otros que arrancan de campos diferentes de gas para complementar los vol%menes deseados de entrega para toda la red. "l llegar a cada sitio de consumo, el gasoducto principal alimenta a la red secundaria de distribución que surte a la ciudad ! a los diferentes tipos de grandes ! pequeños usuarios. El ujo de gas es continuo durante las veinticuatro 051 oras del d#a ! el suministro lo recibe cada cliente a presión ! volumen cónsonos con los requerimientos a travs de medidores ! reguladores que controlan la eciencia del servicio. 2a capacidad de la red es siempre suciente para atender variaciones en la demanda, !a que desde los pozos ! las instalaciones de campo ! a todo lo largo del sistema se cuenta con alternativas que garantizan el suministro. 9or ejemplo, en pa#ses de clima fr#o, durante el invierno se consume muco m$s gas que durante el otoño, la primavera o el verano. 9ara responder a los incrementos ! picos volumtricos se carga la red con m$s gas incrementando la presión, lo cual puede acerse gracias a la compresibilidad del gas. Entre pa#ses vecinos productores ! consumidores de gas natural se acen entregas por gasoductos regionales de cientos de Kilómetros de longitud.
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Teoría Cin6tica De Los Gases. 2a /eor#a *intica de los >ases explica el comportamiento de los gases utilizando un ImodeloJ teórico. Suministra un modelo mec$nico el cual exibe propiedades mec$nicas promedias, que est$n identicadas con propiedades macroscópicas, es decir que impresionan nuestros sentidos, tales como la presión. En este modelo, una sustancia gaseosa pura consiste del agregado de un n%mero mu! grande de part#culas independientes llamadas molculas, que son mu! pequeñas, perfectamente el$sticas ! est$n movindose en todas direcciones. 2a teor#a cintica de los gases es el primer esfuerzo que se izo para dar una interpretación molecular a las propiedades mec$nicas ! calóricas de los gases. El primer trabajo formal fue publicado en 6L:; por el f#sico matem$tico suizo 8aniel Gernoulli. Sin embargo no adquirió ma!or importancia asta la mitad del siglo NN, cuando *lausius utilizó el movimiento de las molculas para relacionar la energ#a mec$nica con el calor. 8ebido a la labor de *lausius, 4axOell, Goltzmann, Pan 8er Qaals, las ideas primitivas fueron desarrolladas ! se dio forma matem$tica a 2a /eor#a *intica de los >ases. Los postulados
de esta teoría son los si"uientes: ♣
2os gases est$n constituidos de part#culas discretas mu! pequeñas, llamadas molculas. 9ara un determinado gas, todas sus molculas son de la misma masa ! tamaño, que dieren seg%n la naturaleza del gas. *omo un ejemplo, en 6 cm : de aire a! ( trillones de molculas.
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2as molculas de un gas que se encuentren dentro de un recipiente, est$n dotadas de un movimiento incesante ! caótico, como resultado del cual cocan frecuentemente entre s# ! con las paredes del recipiente que las contiene.
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2a presión de un gas es el resultado de las colisiones de las molculas contra las paredes del recipiente.
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Si se obliga a las molculas de un gas a ocupar un recipiente m$s pequeño, cada unidad del $rea del recipiente recibir$ un n%mero ma!or de colisiones, es decir que aumentara la presión del gas.
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*uando se guarda una cantidad de un gas indenidamente en un recipiente cerrado, a temperatura constante, la presión no disminu!e con el tiempo, mientras no a!a un escape del gas. "l respecto se sabe que este gas no absorbe calor de continuo del exterior para suministrar la energ#a de movimiento de las molculas. /odo esto es verdad solamente si las molculas son perfectamente el$sticas en el coque de unas contra otras. Es de recordar que *lausius comparo las molculas con bolas de billar.
Gajo las condiciones ordinarias de presión ! temperatura, el espacio ocupado propiamente por las molculas dentro de un volumen gaseoso, es una fracción mu! pequeña del volumen de todo el gas. "ora desde que las molculas son mu! pequeñas en comparación a las distancias entre ellas, pueden ser consideradas en primera aproximación como puntos materiales.
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2a temperatura absoluta de un gas es una cantidad proporcional a la energ#a cintica promedio de todas las molculas de un sistema gaseoso. Cn aumento en la temperatura del gas originara un movimiento m$s poderoso de las molculas, de tal modo que si mantiene el volumen constante, aumentara la presión de dico gas.
Gas Ideal. 2os gases ideales son gases ipotticos, los cuales se suponen compuestos por molculas que no interaccionan entre s# ! que no ocupan ning%n volumen. 2a aproximación de gas ideal se cumple satisfactoriamente en aquellos gases de baja densidad ! viscosidad, ! a una temperatura no demasiado baja.
Le4 De Los Gases Ideales. Seg%n la teor#a atómica las molculas pueden tener o no cierta libertad de movimientos en el espacioA estos grados de
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libertad microscópicos est$n asociados con el concepto de orden macroscópico. 2a libertad de movimiento de las molculas de un sólido est$ restringida a pequeñas vibracionesA en cambio, las molculas de un gas se mueven aleatoriamente, ! sólo est$n limitadas por las paredes del recipiente que las contiene. Se an desarrollado le!es emp#ricas que relacionan las variables macroscópicas en base a las experiencias en laboratorio realizadas. En los gases ideales, estas variables inclu!en la presión 091, el volumen 0P1 ! la temperatura 0/1.
Le4 De 7o4le85ariotte #!elación Entre La +resión / El 9olumen De 0n Gas Cuando La Temperatura Es Constante%. Due descubierta por Fobert Go!le en 677. Edme 4ariotte tambin llegó a la misma conclusión que Go!le, pero no publicó sus trabajos asta 67L7. Esta es la razón por la que en mucos libros encontramos esta le! con el nombre de 2e! de Go!le ! 4ariotte. 2a le! de Go!le establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.
El volumen es inversamente proporcional a la presión@ RSi la presión aumenta, el volumen RSi la presión disminu!e, el volumen aumenta.
+or ;u6 ocurre esto<
disminu!e.
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"l aumentar el volumen, las part#culas 0$tomos o molculas1 del gas tardan m$s en llegar a las paredes del recipiente ! por lo tanto cocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto signica que la presión ser$ menor !a que sta representa la frecuencia de coques del gas contra las paredes. *uando disminu!e el volumen la distancia que tienen que recorrer las part#culas es menor ! por tanto se producen m$s coques en cada unidad de tiempo@ aumenta la presión. 2o que Go!le descubrió es que si la cantidad de gas ! la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor. *omo emos visto, la expresión matem$tica de esta le! es@
0El producto de la presión por el volumen es constante1
Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas P 6 que se encuentra a una presión 96 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas asta un nuevo valor P , entonces la presión cambiar$ a 9, ! se cumplir$@
ue es otra manera de expresar la le! de Go!le.
Ejemplo@ 5 2 de un gas est$n a 7'' mm-g de presión. T*u$l ser$ su nuevo volumen si aumentamos la presión asta ;'' mm-gU
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Solución@ Se sustitu!en los valores en la ecuación 96 P 6 V 9 P . 07'' mm-g1 05 21 V 0;'' mm-g1 0P 1 Si se despeja P se obtiene un valor para el nuevo volumen de :2.
Le4 De C=arles #!elación Entre La Temperatura / El 9olumen De 0n Gas Cuando La +resión Es Constante% En 6L;L, WacK *arles estudió por primera vez la relación entre el volumen ! la temperatura de una muestra de gas a presión constante ! observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas tambin aumentaba ! que al enfriar el volumen disminu#a. El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas@ RSi la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta. RSi la temperatura del gas disminu!e, el volumen disminu!e.
+or ;u6 ocurre esto< *uando aumentamos la temperatura del gas las molculas se mueven con m$s rapidez ! tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el n%mero de coques por unidad de tiempo ser$ ma!or. Es decir se producir$ un aumento 0por un instante1 de la presión en el interior del recipiente ! aumentar$ el volumen 0el mbolo se desplazar$ acia arriba asta que la presión se iguale con la exterior1.
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2o que *arles descubrió es que si la cantidad de gas ! la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen ! la temperatura siempre tiene el mismo valor.
4atem$ticamente podemos expresarlo as#@
0El cociente entre el volumen ! la temperatura es constante1 Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas P 6 que se encuentra a una temperatura / 6 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas asta un nuevo valor P , entonces la temperatura cambiar$ a /, ! se cumplir$@
ue es otra manera de expresar la le! de *arles. Esta le! se descubre casi ciento cuarenta años despus de la de Go!le debido a que cuando *arles la enunció se encontró con el inconveniente de tener que relacionar el volumen con la temperatura *elsius !a que a%n no exist#a la escala absoluta de temperatura. Ejemplo@ Cn gas tiene un volumen de .( 2 a ( X*. T*u$l ser$ su nuevo volumen si bajamos la temperatura a 6' X*U Fecordando que en estos ejercicios siempre a! que usar la escala Melvin. Solución@ 9rimero expresamos la temperatura en Kelvin@
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/6 V 0( Y L:1 MV &; M / V 06' Y L:1 MV ;: M "ora se sustitu!en los datos en la ecuación@
.(2 P 33333 V 33333 &; ;: M M Si se despeja P se obtiene un valor para el nuevo volumen de .:L 2.
Le4 De Ga4 Lussac #!elación Entre La +resión / La Temperatura De 0n Gas Cuando El 9olumen Es Constante%. Due enunciada por Wosep 2ouis >a!32ussac a principios de 6;''. Establece la relación entre la temperatura ! la presión de un gas cuando el volumen es constante.
2a presión del gas es directamente proporcional a su temperatura@ RSi aumentamos la temperatura, aumentar$ la presión. RSi disminuimos la temperatura, disminuir$ la presión.
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+or ;u6 ocurre esto< "l aumentar la temperatura las molculas del gas se mueven m$s r$pidamente ! por tanto aumenta el n%mero de coques contra las paredes, es decir aumenta la presión !a que el recipiente es de paredes jas ! su volumen no puede cambiar. >a!32ussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión ! la temperatura siempre ten#a el mismo valor@
0El cociente entre la presión ! la temperatura es constante1 Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión 96 ! a una temperatura /6 al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura asta un nuevo valor / , entonces la presión cambiar$ a 9, ! se cumplir$@
ue es otra manera de expresar la le! de >a!32ussac. Esta le!, al igual que la de *arles, est$ expresada en función de la temperatura absoluta. "l igual que en la le! de *arles, las temperaturas an de expresarse en Melvin. Ejemplo@ *ierto volumen de un gas se encuentra a una presión de &L' mm-g cuando su temperatura es de ( X*. T" qu temperatura deber$ estar para que su presión sea L7' mm-gU Solución@ 9rimero expresamos la temperatura en Kelvin@ /6 V 0( Y L:1 MV &; M
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"ora sustituimos los datos en la ecuación@
&L' mm-g 333333333333 &; M
V
L7' mm-g 333333333333 /
Si despejas / obtendr$s que la nueva temperatura deber$ ser ::.( M o lo que es lo mismo 3:&.( X*.
Le4 De A>o"adro #!elación entre la cantidad de "as 4 su >olumen%. Esta le!, descubierta por "vogadro a principios del siglo NN, establece la relación entre la cantidad de gas ! su volumen cuando se mantienen constantes la temperatura ! la presión. Fecuerda que la cantidad de gas la medimos en moles. El volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas@ RSi aumentamos la cantidad de gas, aumentar$ el volumen. RSi disminuimos la cantidad de gas, el volumen disminu!e.
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+or ;u6 ocurre esto< Pamos a suponer que aumentamos la cantidad de gas. Esto quiere decir que al aber ma!or n%mero de molculas aumentar$ la frecuencia de los coques con las paredes del recipiente lo que implica 0por un instante1 que la presión dentro del recipiente es ma!or que la exterior ! esto provoca que el mbolo se desplace acia arriba inmediatamente. "l aber aora ma!or distancia entre las paredes 0es decir, ma!or volumen del recipiente1 el n%mero de coques de las molculas contra las paredes disminu!e ! la presión vuelve a su valor original. /ambin podemos expresar la le! de "vogadro as#@
0El cociente entre el volumen ! la cantidad de gas es constante1 Supongamos que tenemos una cierta cantidad de gas n 6 que ocupa un volumen P 6 al comienzo del experimento. Si variamos la cantidad de gas asta un nuevo valor n , entonces el volumen cambiar$ a P , ! se cumplir$@
ue es otra manera de expresar la le! de "vogadro. Ejemplo@ Sabemos que :.(' 2 de un gas contienen '.;L( mol. Si aumentamos la cantidad de gas asta 6.5' mol, Tcu$l ser$ el nuevo volumen del gasU 0a temperatura ! presión constantes1 Solución@ Csamos la ecuación de la le! de "vogadro@ P 6n V P n6
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0:.(' 21 06.5' mol1 V 0P 1 0'.;L( mol1 Si se despeja P obtenemos un valor de (.7' 2
De las le4es anteriormente e?plicadas se deduce la le4 uni>ersal de los "ases:
Ecuación De Los Gases Ideales. 2a ecuación que describe el comportamiento del gas ideal 0+9@n!T1, combina las le!es de Go!le, *arles ! "vogadro. Estas le!es relacionan en una ecuación la temperatura la presión ! el volumen para gases perfectos o ideales. *omo consecuencia de la ipótesis de "vogadro puede considerarse una generalización de la le! de los gases. Si el volumen molar 0volumen que ocupa un mol de molcula de gas1 es el mismo para todos los gases en *<9/, entonces podemos considerar que el mismo para todos los gases ideales a cualquier temperatura ! presión que se someta al sistema. Esto es cierto por que las le!es que gobiernan los cambios de volumen de los gases con variaciones de temperatura ! presión son las mismas para todos los gases ideales. Estamos relacionando proporcionalmente el n%mero de moles 0n1, el volumen, la presión ! la temperatura@ P.V Z n T . 9ara establecer una igualdad debemos añadir una constante 0 R1 quedando@ P.V V n. R. T
El valor de R podemos calcularlo a partir del volumen molar en *<9/@
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9or denición n 0n%mero de moles1 se calcula dividiendo la masa de un gas por el 4r 0la masa molecular relativa del mismo1.
ue es otra forma de expresar la le! general de gases ideales.
Densidad3 9olumen Especí&co 4 Gra>edad Especí&ca De Los Gases Ideales. ♣
Densidad.
Es la relación entre el peso de un elemento ! el volumen que ocupa. Cn cuerpo m$s denso indica que su peso es ma!or en relación a una unidad de volumen determinada.
*omo 9.PV n.F./
!
,
entonces@ 8onde@
"s#@
9olumen Especí&co.
♣
A
m es el peso ! 4 la masa molecular.
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El volumen espec#co de cualquier sustancia es el espacio ocupado por un gramo de la misma. Se puede establecer que la masa de un cuerpo mu! denso es ma!or que la de uno de igual volumen pero de menor densidad, por lo que se puede enunciar, que la masa de toda sustancia 0en cualquier estado f#sico1 ocupa un volumen inversamente proporcional a su densidad. 2os sólidos ! los l#quidos son incompresibles, por lo tanto sus vol%menes pueden modicarse exclusivamente mediante cambios trmicos, los que producen la contracción o la dilatación de sus masas. 2os gases, en cambio modican sus vol%menes no sólo a causa de las variaciones trmicas, sino tambin a las de presión, de donde el volumen espec#co de los mismos se encuentra en relación inversamente proporcional a la presión a que son sometidos.
Gra>edad Especí&ca. Felación entre el peso espec#co del aire o gas ! el del aire seco a la misma temperatura ! presión. En otras palabras se dene como la razón de la densidad del gas a la densidad de una sustancia base, en las mismas condiciones de presión ! temperatura. 9ara el caso de los gases se toma el aire como la sustancia base.
Sustitu!endo la ecuación de la densidad para gas ! aire, en las mismas condiciones de 9 ! /, resulta@
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5ecla De Los Gases Ideales. En una mezcla de gases que no reaccionan entre s#, cada molcula se mueve independientemente, de una forma an$loga como si estuviera totalmente aislada. En esa mezcla, cada gas se distribu!e uniformemente por todo el espacio disponible, como si ning%n otro gas estuviese presente. 2as molculas ejercen la misma presión sobre las paredes del recipiente que lo contiene que la que ejercer#an si no ubiera ning%n otro gas presente. En 6;':, 8alton 06L7736;551 enunció la le4 de las presiones parciales@ [en una mezcla de gases, la presión total ejercida por los mismos es la suma de las presiones que cada gas ejercer#a si estuviese solo en las mismas condiciones\. Si varios gases, ", G ! *, se colocan en un mismo recipiente, acaban formando una mecla =omo"6nea. 2a presión que cada gas ejerce individualmente en una mezcla se denomina presión parcial. 2a le! de 8alton de las presiones parciales se expresa@
+total @ + A +7 +C B
/anto la mezcla de los gases como cada componente individual cumplen la ecuación de los gases ideales o perfectos@
+total 9 @ #n A n7 nCB% !T +eso 5olecular Aparente #5A%3 +eso 5olecular De 5eclas #5m%. "l ablar de gases por lo general no se trata de peso molecular en el mismo sentido de componentes puros, porque una mezcla no se puede representar como formula simple.
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el denominado I9eso molecular aparenteJ. En forma similar a componentes puros, se dene como el peso de :L&,7 pies : de la mezcla gaseosa a 7' HD ! 65,L2pca. Csando este valor, su comportamiento es igual que para gases ideales. El peso molecular aparente se puede calcular a partir de la composición molar 0por mol1 de la mezcla ! de los pesos moleculares individuales de los componentes. Si ] i es la fracción molar de un componente IiJ de peso molecular 4i en una mezcla de n componentes, el peso molecular aparente ser$@
8onde ] i es la %nica fracción molar de un componente IiJ.
Eemplo: *alcular el peso molecular aparente del aire, mezcla de nitrógeno, oxigeno ! argón en la siguiente porción@ < V L;), + V 6) ! "r V 6). 4a V 0 ',L;1 x 0;,'6:;1 Y 0',61 x 0:6,&&;1Y0','61x 0:&,&5;1 4a V ;,&L g=mol
+ropiedades (eudocríticas. *ada mezcla de gases tendr$ su propia temperatura ! presión cr#tica verdaderas ! para conocerlas abr#a que determinarlas experimentalmente. Se conoce como temperatura cr#tica 0/c1 aquella temperatura a partir de la cual la sustancia sólo puede existir en estado gaseoso ! la presión cr#tica 09c1 aquella necesaria para provocar la licuefacción a la temperatura cr#tica. 9ara el estudio del comportamiento de la mezcla, Ma! inclu!o la denición de la temperatura seudocr#tica ! presión seudocr#tica, lo que indica que una mezcla gaseosa de n
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componentes, ]i es la fracción molar del componente i presión cr#tica 9ci ! temperatura cr#tica /ci, tenemos@
de
Estas ecuaciones para mezclas que contienen molculas o componentes no similares, no dan resultados satisfactorios, especialmente cuando la mezcla contiene molculas o componentes no similares, !a que es dif#cil entender ! expresar anal#ticamente las interacciones de tales molculas entre s#. 2a teor#a molecular a tratado de explicar estas interacciones moleculares, limit$ndose a casos mu! dif#ciles. En el caso de los idrocarburos formados por cadenas paraf#nicas, el procedimiento es v$lido. " causa de la complejidad de la situación, es de suponer que una simple combinación de las ecuaciones 061 ! 01, no puede expresar las interacciones moleculares de todos los sistemas. Es por ello que se a sugerido una serie de reglas de combinación para determinar propiedades seudocr#ticas. Cna de las m$s comunes es la de SteOart GurKardt3Poo 0SGP1.
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*uando se conoce la composición del gas, f$cilmente se calculan los valores de 9sc ! /sc, !a que los valores de 9c ! /c para los componentes puros son datos tabulados Si no se conoce la composición del gas ! se conoce su gravedad espec#ca, se puede determinar la presión ! temperatura seudocr#tica a partir de la correlación de la siguiente gura, la cual puede utilizarse para gas natural ! para gas condensado.
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Eemplo: 8eterminar la 9sc ! /sc de la mezcla de gases en la cual la gravedad espec#ca del gas es ',L'. >ravedad del gas 0 γ g1 V ',L' 9sc V 77( 2pca /sc V :&' XF
Gases !eales. Son aquellos que se consideran est$n formados por part#culas con volumen entre las cuales existen fuerzas de atracción ! repulsión. En realidad, en la naturaleza, sólo existen gases reales. 2a denominación de gas ideal o real depender$ de las condiciones en que sea estudiado el gas. Gajo las condiciones de una temperatura relativamente alta ! una presión baja, el comportamiento de mucos gases reales se puede describir adecuadamente con la le! de los gases ideales. Sin embargo, a medida que aumenta la presión !=o la temperatura a! que incluir ciertas modicaciones en la ecuación de los gases. Comportamiento De Los Gases Reales.
Si se quiere afinar más o si se quiere medir el comportamiento de algún gas que escapa al comportamiento ideal habrá que recurrir a las ecuaciones de los gases reales las cuales son variadas y más complicadas cuanto más precisas.
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Los gases reales no se expanden infinitamente, sino que llegaría un momento en el que no ocuparían más volumen. Esto se debe a que entre sus átomosmol!culas se establecen unas fuer"as bastante peque#as, debido a los cambios aleatorios de sus cargas electrostáticas, a las que se llama fuerzas de Pan der Qaals. El comportamiento de un gas suele concordar más con el comportamiento ideal cuanto más sencilla sea su f$rmula química y cuanto menor sea su reactividad, tendencia a formar enlaces. %sí, por e&emplo, los gases nobles al ser monoat$micos y tener muy ba&a reactividad, sobretodo el elio, tendrán un comportamiento bastante cercano al ideal. Les seguirán los gases diat$micos, en particular el más liviano idrógeno. 'enos ideales serán los triat$micos como el dióxido de carbono, el caso del vapor de agua aun es peor ya que la mol!cula al ser polar tiende a establecer puentes de idrógeno lo cual aun reduce más la idealidad. (entro de los gases orgánicos el que tendrá un comportamiento más ideal será el metano perdiendo idealidad a medida que se engrosa la cadena de carbono. %sí el butano es de esperar que tenga un comportamiento ya bastante ale&ado de la idealidad. Esto es porque cuanto más grande es la partícula fundamental constituyente del gas mayor es la probabilidad de colisi$n e interacci$n entre ellas factor que hace disminuir la idealidad. %lgunos de estos gases se pueden aproximar bastante bien mediante las ecuaciones ideales, mientras que en otros casos hará falta recurrir a ecuaciones reales muchas veces deducidas empíricamente a partir del a&uste de parámetros.
/ambin se pierde la idealidad en condiciones extremas, altas presiones o bajas temperaturas. 9or otra parte, la concordancia con la idealidad puede aumentar si trabajamos a bajas presiones o altas temperaturas.
Ecuación De Estado. 2as relaciones entre propiedades de una sustancia en estado de equilibrio se conocen como ecuación de estado. 2as mismas se utilizan para correlacionar datos 9P/ ! calcular diferentes propiedades f#sicas ! termodin$micas de los sistemas de idrocarburos. 2a ecuación de estado m$s simple es la de gas ideal ! sirve como base para el estudio con bastante precisión del
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comportamiento de un gas dentro de cierta región elegida adecuadamente. 2as palabras gas ! vapor suelen usarse como sinónimo. 2a fase vapor de una sustancia suele considerarse gas cuando su temperatura es m$s alta que la temperatura cr#tica, mientras que el vapor implica que no se encuentra mu! alejado del estado de condensación. En 677 el ingls Fobert Go!le observó que la presión de los gases es inversamente proporcional a su volumen. En 6L;L, WacK *arles observó que la temperatura de un gas es proporcional a su volumenA ! en 6;', Wosep 2ouis >a!32ussac observó que la presión de un gas es proporcional a su temperatura. Esto es@
+9 @ n!T Donde: 9@ presión /@ temperatura n@ n%mero de moles. P@ volumen espec#co en base molar. F@ constante universal de los gases.
Las principales ecuaciones de estado son las si"uientes: ' ' ' ' ' '
Ecuación de van der Qaals. Ecuación de Gertelot. Ecuación de Fedlic3MOong. Ecuación de Soavic3Fedlic3MOong 0SFM1. Ecuación de 9eng Fobinson 09F1. Ecuación de esferas puras.
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' Ecuación de Gattie3Grigman. ' Ecuación de Genedict3Fubin 0GQF1. ' Ecuación de Starling. Ecuación De Estado De 9an Der Faals. Es una de las ecuaciones de m$s utilidad para el estudio de gases reales. Due propuesta en 6;L:.
2a precisión es afectada cuando se trabaja con 9. El trmino 0a=v1 representa el factor de corrección de la 9, ! representa las fuerzas de atracción entre las molculas. 2a constante 0b1 representa el factor de corrección del volumen molar 0v1, lo que indica que representa el volumen ocupado por las molculas. 2as constantes 0a ! b1 se pueden determinar para sustancias puras, en función de la temperatura ! presión cr#tica, bas$ndose en que la isoterma cr#tica no tiene punto de inexión orizontal en el punto cr#tico. 8e modo que la primera ! segunda derivada de 9 respecto a v en el punto cr#tico debe ser cero. "l efectuar la diferenciación ! eliminar el P se determina que las constantes a ! b son@
" menudo, los datos obtenidos con esta ecuación no tienen precisión, pero mejoran si se usan valores de a ! b basados en el comportamiento real del gas a un nivel m$s amplio en lugar de un solo punto. " pesar de las limitaciones la ecuación de Pan 8er Qaals tiene un valor istórico puesto que fue uno de los primeros intentos por modelar el comportamiento de los gases ideales.
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Ecuación De 7ert=elot.
8onde@
Ecuación De Redlich-Kwong
(onde)
Ecuación De +en"8!obinson.
8onde@
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,actor De Compresibilidad. Es un factor que compensa la falta de idealidad del gas, as# que la le! de los gases ideales se convierte en una ecuación de estado generalizada@ Ecuación >eneral 8e 2os >ases deales@ Ecuación >eneral 8e 2os >ases Feales@ 8onde@ 9@ presión. /@ temperatura. P@ volumen. n@ n%mero de moles. ^@ factor de compresibilidad. F. constante universal de los gases. El valor de la constante F depende de las unidades empleadas de presión, volumen ! temperatura. 9or ejemplo@ considrese la 9@ lpca, /@ HF, P@ pies : ! moles en lbmol. 2a le! de avogadro establece que 6 lbmol de cualquier gas ideal ocupa :L&.5 pies:, 65.L lpca ! 7'HD, por lo tanto@
9ara otras unidades de 9, / ! P se presentan diferentes valores de F
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9alor
0nidades
;.:65:5 ;.:65:5 '.';:65:5 6.&;(; 6(5(.:( 6'.L:
Mj= 0Mmol _ HM1 Mpa _ m:= 0Mmol _ HM1 bar _ m:= 0Mmol _ HM1 Gtu= 0lbmol _ HF1 9ie _ lbf= 0lbmol _ HF1 9sia _ 9ies:= 0lbmol _ HF1
*omo se pudo observar el factor ^ fue introducido en la ecuación de gases para acer una corrección, el cual, representa un factor numrico adimensional que por lo general var#a entre '.L' ! 6.'. El 6 representa el comportamiento ideal. /odos los gases que tienen un ^ >6 a presiones mu! altas signica que son m$s dif#ciles de comprimir que un gas ideal, adem$s a presiones mu! bajas algunos gases que tienen un ^ < 6 signica que son menos dif#ciles de comprimir, por lo tanto un gas que presente un factor de compresibilidad diferente de 6 signica que el elemento en cuestión es real. 2as tcnicas modernas an eco posible el estudio de los gases en un intervalo de temperatura, gracias a ella se a observado la desviación considerable en el comportamiento predecible, apo!$ndonos en la ecuación de los gases ideales, cuando se disminu!e la / !=o aumenta la presión en una cantidad importante. El factor de compresibilidad de gas se dene como la razón del volumen ocupado por un gas a determinada presión ! temperatura al volumen que ocupar#a si fuese perfecto, esto es@
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Sustitu!endo esta ecuación en la le! de los gases perfectos, se obtiene la siguiente expresión para los gases reales.
8espejando
! sustitu!endo nos queda@
8onde@ P rV PV volumen real o verdadero del gas. FV constante universal de los gases. nV n%mero de moles. 9 ! /V presión ! temperatura de corrección. ^V factor de desviación del gas.
*onocido el factor de compresibilidad para el gas de 9 ! / se puede estimar el volumen espec#co de cualquier gas a cualquier presión !a que@
"plicando el principio de los estados correspondientes, el cual establece que el factor ^ es aproximadamente el mismo para todos los gases si estos tienen la misma presión ! temperatura reducidas. 2a presión reducida 9r ! la temperatura reducida /r se dene como@
Introducc ión A La Gasotecnia
En estas ecuaciones deben utilizarse presiones ! temperaturas absolutas. 9or lo tanto la presión ! temperatura cr#tica de una sustancia se usa para denir un estado reducido. "l tratar de explicar la validez de este principio usando una carta de ^9r ! trazando isotrmicas reducidas /r, la desviación promedio de los datos experimentales para varios gases es un poco menor que () 0ver gura1@
Determinación Del 2actor De Compresibilidad. -o! en d#a se disponen de varios mtodos para la determinación del factor de compresibilidad I ^ J de un gas, a continuación se nombran los m$s com%nes@
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4todo de Standing3Matz. 4todo de Fefracción 4olecular de E!Kman. 4todo de Sarem. 4todo de 9itzer. 4todo con base a la ecuación de estado de Fedlic ! MOong 0FM1. 4todo de ]arboroug3all 0]-1. 4todo de 8rancunK39ulvis3Fobinson 089F1. 4todo de "bou3Massen. 4todo de >ra!3Sims. 4todo de *arlile3>illet 4todo de 9apa!. 4todo de Grill.
56todo De (tandin"8at. Gasados en los principios de los estados correspondientes, Standing ! Matz presentaron una correlación gr$ca mostrada en la siguiente gura@
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2a cual puede ser utilizada para determinar el factor de compresibilidad de un gas, previamente conocidoA su presión ! temperatura seudoreducida. Este mtodo es bastante exacto 0por el orden del :)1 en relación a los valores experimentales de ^ ! su facilidad para los c$lculos. 9or esta razón esta correlación gr$ca a tenido buena aceptación en la industria petrolera. 9ara el uso de este mtodo, debemos tener en cuenta si el gas contiene impurezas como el 8ióxido de *arbono 0*+ 1 ! Sulfuro de idrógeno 0-S1. En este caso se recomienda utilizar la correlación de Qicert ! "zis al utilizar este mtodo. -abiendo corregido la temperatura ! la presión seudocr#tica, se proceder$ a calcular la temperatura ! presión seudoreducida, con los cuales se obtiene el valor de ^.
Aplicación Del 56todo De (tandin"8at. +rocedimientos a (e"uir:
H.
I. Pericar
si la sumatoria de las fracciones molares de los componentes es igual a uno, en caso contrario, se proceder$ a normalizar.
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Compone nte
/ i
/
/ K
*6
'.;
'.;=6.'
'.;'
*
'.6'
'.6'=6.'
'.6'
*:
'.';
'.';=6.'
'.';
n*5
'.'
'.'=6.'
'.'
Σ
6.'
J.
6.''
Guscar los datos de presión ! temperatura cr#tica de cada uno de los componentes, utilizando una tabla. <+/"@ Si el * LY es ma!or de (), tomar los datos de 9c ! /c del * L, ! si es menor tomar los datos de 9c ! /c del * ;.
Compuest o
,ormula
+eso 5olecular #Lb1Lbmol %
Temperat ura Crítica #'!%
+resión Crítica #Lpca%
4etano *6
*-5
67.'5:
:5:.:L
77L.;
Etano *
*-7
:'.'L'
(('.'&
L'L.;
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9ropano *:
*:-;
55.'&L
777.'6
767.:
n3Gutano n*5
n*5-6'
(;.6&5
L7(.7(
(('.L
i3Gutano i*5
i*5-6'
(;.65
L:5.&;
(&.6
n39entano n*(
n*(-6
L.6(6
;5(.L
5;;.7
i39entano i*(
i*(-6
L.6(6
;&.6
5&'.5
-exano *7
*7-65
;7.6L;
&6:.L
5:7.&
-eptano *L
*L-67
6''.'(
&L.;
:&7.;
-eptano 9lus *LY
*L-67Y
665.:6
6':.77
:7(.5
+ctano *;
*;-6;
665.:6
6'5.
:7'.7
*&-'
6;.(&
6'L'.7;
::.'
8ecano *6'
*6'-
65.;7
666.6
:'5.'
Introducc ión A La Gasotecnia
8ióxido de *arbono
*+
55.'6'
(5L.&'
6'L6.'
<
;.'6:
L.7'
5&:.'
Sulfuro de -idrógeno
-S
:5.'L7
7L.L'
6:'7.'
Compone nte
/
/ K
Tc #'!%
+c #Lpca%
/ K ? Tc
/K ? +c
*6
'.;
'.;'
:5:.:L
77L.;'
L5.L'
(:5.5
*
'.6'
'.6'
(('.'&
L'L.;'
((.'6
L'.L;
*:
'.';
'.';
77'.'6
767.:'
(.;'
5&.:'
n*5
'.'
'.'
L7(.7(
(('.L'
6(.:6
66.'6
Σ
6.'
6.''
:&L.;
77(.::
-acer una sumatoria de ] i x 9ci ! ] i x /ci para realizar los c$lculos de la temperatura ! presión seudocr#tica de la mezcla gaseosa, por la regla de Ma!.
L.
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*orregir la temperatura ! presión seudocr#tica por Qicert ! "zis o *arr3Moba!asi3GurroOs, debido a las impurezas presentes en la mezcla. M.
M.H.
Ctilizar Qicert ! "zis si el contenido de * 6 es superior al ;') ! el del < es menor al ().
M.I.
Ctilizamos *MG si el contenido de * 6 es menor a ;') ! el de < es ma!or al ()
Corrección +or Fic=ert 4 Ais.
Corrección +or C7.
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Guscar
N.
la
temperatura
!
presión seudoreducida con@
/ ! 9 V temperatura ! presión de operación. *on la /sr ! la 9sr irse a la gr$ca de Standing3Matz para el c$lculo de ^.
O.
Eemplo: " travs del an$lisis cromatogr$co de un gas, se determina la composición porcentual de cada uno de los componentes de la mezcla, la cual resulta ser@ * 6V L:.:7A *V (.&A *:V :.7&A i*5V :.76A n*5V 5.'5A *(V 6.5LA *7V 6.5LA *LYV 6.L:A *oV .66A -SV .;6A <V 6.6;. 8eterminar para la mezcla gaseosa el factor de compresibilidad por el mtodo de standing3Matz par una 9V ;'' lpca ! /V 6:( HD.
Compone nte
/ i
Tc #'!%
+c #lpca%
/ i ? Tc
/i ? +c
*6
'.L::7
:5:.:L
77L.;'
(6.;&
5;&.;&
*
'.'(&
(('.'&
L'L.;'
&.'&
:L.5
*:
'.':76
777.'6
767.:'
5.'5
.5
i*5
'.'5'5
L7(.7(
(('.L'
:'.&:
.5
Introducc ión A La Gasotecnia
n*5
'.'L:
L:5.&;
(&.6'
'.'7
65.55
n*(
'.'65L
;5(.L'
5;;.7'
6.5:
L.6;
n*7
'.'67L
&6:.L'
5:7.&'
6(.(
L.&
*LY
'.'6L:
6'5.
:7'.7'
6L.6L
7.:
*+
'.'66
(5L.&'
6L6.''
66.(7
.(&
-S
'.';6
7L.L'
6:'7.''
6;.&'
:7.7&
<
'.'66;
L.7'
5&:.''
.7;
(.;6
Σ
6.''''
5:5.(&
7L.66
2a /scV 5:5.(& ! la 9scV 7L.66 *orregir por Qicert ! "zis, !a que el contenido de < es menor del () tenemos que@ DsKV 6' x 0" '.& ` " 6.71 Y 6( x 0G'.( ` G51 8onde@ "V ]*+ Y ]-SV '.'5& GV ]0-S1V '.';6
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Entonces DsKV L.6L; "ora con DsK allamos@ /sc ! 9sc /scV /sc ` DsKV 5:5.(& ` L.6L;V 5L.56L HF
56todo De !e2racción 5olecular De E4Pman. "ntes de analizar el procedimiento de este mtodo, se va a partir de la ecuación general de E!Kman de refracción molecular, la cual es@
En donde@ 4@ 9eso molecular. @ 8ensidad. E4F@ Fefracción molecular de Er!Kman. n@ #ndice de refracción del gas o l#quido, usando en el refractómetro luz amarilla de la l#nea del sólido.
+rocedimientos a (e"uir: Pericar si las sumas de las fracciones molares de los compuestos de la mezcla es igual a uno, en caso contrario se procede a normalizar ! adem$s a calcular la masa molecular de la mezcla. a.
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8ividir la mezcla gaseosa en dos grupos. > 6V *6, *+, -S, < ! >V dem$s componentes. 9ara cada grupo normalizar su respectiva ]. b.
Guscar Guscar para para cad cada a com compon ponent ente e su respec respectiv tivo o E4F i, en la siguiente tabla ! calcular el E4F de la mezcla para cada grupo, es decir, un E4F 6 ! un E4F . c.
Com p.
E5!
Comp.
E5!
Comp.
*6
6:.&;5
n3*7
7(.(L(
*66
*
:.&6:
i3*7
7(.(L(
*6
*: n3*5
:5.:67 55.5:
*L *;
L(.;L( ;7.6&:
< *+
i3*5
55.L56
*&
&7.(&
-S
E5! 66L.6 L: 6L.5 && &.5'L 6(.L( ' 6&.; ; ;.5&(
n3*( ((.7L *6' 6'7.;(& + i3*( ((.:' Palores Palores 8e 2a Fefracción 4olecular 8e E!Kman, E4FA 8e 2os *omponentes 4$s *omunes 8el >as
*alcular para el grupo
8onde "V6, en el S.. e.
*alcular para el grupo @
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8onde GV6, en el S.
Calcular:
2.
H.
I.
J.
,
L.
Se calcula el valor de ^ con la 9sr ! la /sr utilizando la gr$ca de Standing ` Matz. M.
Eemplo: " travs del an$lisis cromatogr$co de un gas, se determina la composición porcentual de cada uno de los componentes de la muestra, la cual resulta ser@
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*6V L:.:7, *V (.&, *:V :.76, i*5V 5.'5, n*5V .L:, n*(V 6.5L, n*7V 6.7L, *LYV 6.L:, *+V .66, -SV .;6, < V6.6;. 8eterminar para la mezcla gaseosa el factor de compresibilidad por el mtodo de refracción molecular de E!Kman para una 9V;'' 2pca ! /V 6:(HD.
(olución: _Se ace la conversión de la temperatura de HD a HF HFV HD Y 5(&.7L HFV 6:( Y 5(&.7L HFV (&5.7L /V (&5.7L HF
Compone nte
#$ %
*6 * *: i*5 n*5 n*( n*7 *LY *+ -S < Σ
/i
Tc #'!%
+c #Lpca%
L:.:7 (.& :.76 5.'5 .L: 6.5L 6.7L 6.L:
'.L::7 '.'(& '.':76 '.'5'5 '.'L: '.'65L '.'67L '.'6L:
77L.; L'L.; 767.: (&.6 (('.L 5;;.7 5:7.& :7'.7
.66 .;6 6.6;
'.'66 '.';6 '.'66; 6.''''
:5:.:L (('.'& 777.'6 L:5.&; L7(.7( ;5(.L &6:.L 6'5. (5L.& 7L.L L.7
6'L6 6:'7 5&:
Introducc ión A La Gasotecnia
Grupo Compone nte
#
%$/i
*6
L:.: 7 .66 .;6 6.6;
*+ -S < Σ
/ iK
E5! i
/ i . E5! i
/ iK . E5! i
'.L::7
'.&:
6:.&;5
6'.(;7
6.&6''
'.'66 '.';6 '.'66; '.L&57
'.'77 '.':(5 '.'65& 6.''''
6(.L(' 6&.;; &.5'L
'.::: '.((L6 '.666' 66.(&
'.56;& '.L'6& '.65'6 65.6L6
Grupo Compone nte
#
%$* *: i*5 n*5 n*( n*7 *L
(.& :.76 5.'5 .L: 6.5L 6.7L 6.L:
Σ
/ii '.'(& '.':76 '.'5'5 '.'L: '.'65L '.'67L '.'6L: '.'(5
/ iiK
E5! i
/ i i. E5! i
/ iiK . E5! i
'.(L( '6L(L '.6&7L '.6:& '.'L6( '.';6: '.';5 6.''''
:.&6: :5.:67 55.L56 55.5: ((.7L 77.(L( L(.;L(
6.7(' 6.:;; 6.;'L( 6.'L; '.;65 6.666; 6.:67 ;.L((&
7.6(L7 7.'&: ;.;''( (.;L&& :.&(6( (.56( 7.:;;7 5.7'
K Se calcula para el grupo 6@ 8onde "V6 en el S.
Introducc ión A La Gasotecnia
_
Se
calcula
para el grupo @ 8on de GV 6 en el S.
K Se calcula@
.
.
J.
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. .
M.
Q@ R.M 9iscosidad. Es la resistencia de un fluido a cambiar de forma o a moverse *por la causa que sea+. Esa resistencia se debe a la cohesi$n de las partículas que lo componen, que e&ercen una especie de fricci$n interna que perturba el movimiento o cambio de forma. Lo opuesto a la viscosidad es la fluide". %mbas se relacionan con temperatura y presi$n. % mayor temperatura, menos viscoso es un líquido y más viscoso es un gas. %mbos conceptos se pueden medir y calcular de forma precisa.
9iscosidad Del Gas. 2a viscosidad del gas natural depende de la temperatura, presión ! composición del gas, rara vez se mide en el laboratorio, !a que se puede estimar con bastante presición con datos del !acimiento a travs de correlaciones.
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,actores ue A2ectan La 9iscosidad Del Gas. " bajas presiones 09 < 6''' ` 6('' 2pca1 si / disminu!e, la viscosidad 0µg1 aumenta. " elevadas presiones 09 > 6''' ` 6('' 2pca1 si / aumenta, la viscosidad 0µg1 disminu!e.
56todo +ara Determinar La 9iscosidad # "%. a. 4todo 8e Standing@ para obtener µg en *ps. Se relaciona la viscosidad 0 µg1, temperatura 0/1 ! gravedad espec#ca 0γ g1. Seg%n la gr$ca los valores de µg son v$lidos en el siguiente rango@ '.(( γ g 6.((
6'' / :'' HD
b. 4todo 8e *arr3Moba!as!3GurroOs. c. "juste 8e 8empse!. d. 2ee ! colaboradores.
Eemplo: 8etermine la viscosidad del gas en el !acimiento por el mtodo de standing. 8atos@ 9resión del !acimiento@ 7;' lpca /emperatura del !acimiento@ 6 HD γ V '.& /sc V 5' HF *+ V ( )
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µ g V 0µ g = µ g61 µ g. *orr
4g V 0'.&1 0;.&7 2b = 2b mol1 4gV 7.'L 2b = 2b mol *on la gura de viscosidad de idrocarburos tenemos@ 4g ! tV 6HD Y 57'
tV 7LH F
µ g6 V '.'66L *ps " 6 "tm.
*orrección para el co en la misma gura anterior@ *+ V ( ) ] V γ V '.& * 0*+1 V '.''':' *ps
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µg. *orr V µ g6 S* Y * 0*+ 1 V 0'.'66L Y '.''':1 *ps
µg6. *orr V '.'6' *ps
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a
/V 7L HF
!
9 V 7;' 2pca
,actor 9olum6trico Del Gas #7"%. Felaciona el volumen del gas en el !acimiento al volumen del mismo en la supercie, es decir, a condiciones normales de presión ! temperatura. /ambin se puede denir como el cambio de volumen que experimentan las fases gaseosas al pasar de las condiciones del !acimiento a las condiciones de supercie como consecuencia de la expansión del gas.
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>eneralmente, se expresa en pies c%bicos o barriles de vol%menes en el !acimiento por pies c%bicos de gas a condiciones normales, o bien sus rec#procos, en pies c%bicos a condiciones normales por pies c%bicos o barriles de vol%menes en el !acimiento.
8onde@ P! V volumen del gas en el !acimiento. Pcn V Polumen del gas a condicionales normales de supercie 9ara un gas real a condiciones normales ! condiciones de !acimientos, se tiene@
+.9 @ N.!.T
*ondiciones
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,actor De E?pansión Del Gas. Es el volumen ocupado a condiciones normales por cierta cantidad de gas que ocupa una unidad volumtrica a condiciones de !acimientos.
Eemplo:
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9ara un pozo de gas que tiene una gravedad espec#ca de '.;( se tienen diferentes relaciones de volumen ! presión bajo condiciones isotrmicas de 6(' HD. 9.6': 02pca1 (.''A 5.('A 5.''A :.('A :.''A .(A .'A 6.('A 6.'. 8etermine el factor volumtrico en bl!=pcn.
+rocedimiento: a. *on γ V '.;( se determina la tsc ! psc de la gura@ presión ! temperatura seudocritica del gas natural, seg%n la gura, la presión ! temperatura seudocriticas de gases naturales obtenidas son@ /sc V 5:( HF
!
9sc V 77' 2pca
b. *on estos valores de tsc ! psc se determina la presión psr ! tsr. *omo las condiciones son isotrmicas.
2a 9sr se determina para cada una de las presiones dadas, tom$ndolas como presiones de operación.
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"s# mismo se realizan los dem$s c$lculos obteniendo@ 9sr V 7.;
9sr7 V :.L&
9sr: V 7.'L
9srL V :.':
9sr5 V (.:'
9sr; V .L
9sr( V 5.((
9sr& V 6.(
c. *on los valores obtenidos de psri ! tsri se calcula z. " travs de la gura de factor de compresibilidad de gases naturales. 9ara i V 6 tenemos tsr V 6.5' ! psr V L.(; obtenemos z6 V '.&(. ] as# sucesivamente se determinan los otros valores de ^. ^ V '.;&
^7 V '.L6
^: V '.;5
^L V '.L6
^5 V '.L&
^; V '.L5
^( V '.L5
^& V '.;6
d. ntroduciendo los valores obtenidos en la ecuación@ calculamos los bgi en bl! = pcn.
5uestra De C-lculos:
Gg V 7.';'5Lx6'
`5
Gg: V 7.5(75x6'
35
Gg5 V 7.&:&:7x6'
`5
Gg( V L.(;:('x6'
`5
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Gg7 V ;.L:6&x6'
`5
GgL V 6.'5656x6'
Gg; V 6.(67Lx6' ` :
Gg& V .5&'7x6' ` :
∑ Ggi V &.767'(( x 6'35 0G2]=9*<1
7I7LIOG!A,SA. +-"inas Feb #Internet%: ♣
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