MEZCLAS DE GASES REALES.

Una mezcla de gases, es un sistema de composición homogénea que se encuentra en fase gaseosa. El ejemplo más cotidiano de una mezcla de gases es el aire, cuya composición molar es 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y el resto de otros gases (principalmente argón, seguido por vapor de agua y trazas de dióxido de carbono).

Otro ejemplo, de gran importancia para los ingenieros químicos y los ingenieros de petróleo, es el gas natural: una mezcla de hidrocarburos en fase gaseosa, de composición variable (depende del yacimiento del cual se extrae), cuyo componente principal es el metano. El gas natural suele contener trazas de otros componentes no hidrocarburos, tales como CO2, H2O, H2S y N2, entre otros.

El comportamiento termodinámico de los sistemas multicomponentes es más complejo que el de las sustancias puras; por lo tanto, nos enfocaremos estrictamente en lo que ocurre en la fase gaseosa, ya que es donde se guardan más similitudes. Existen muchos modelos para las mezclas de gases reales (es decir, Z diferente a 1), siendo los 2 más utilizados los siguientes: a) Método de las constantes promedio para ecuaciones cúbicas de Estado; b) Regla de Kay.

El método (a), se caracteriza por ser el más utilizado a nivel industrial para cálculos rigurosos de diseño, por su exactitud y capacidad de reproducir diferentes escenarios (incluso comportamiento de fase líquida), aprovechando herramientas de cálculo tales como simuladores de procesos y hojas de cálculo. ¿En qué consiste? Elegida la ecuación de estado más apropiada para el sistema (generalmente, SRK o PR), se calculan los parámetros a, b y alfa individualmente para cada componente. Luego, se calculan las constantes promedio para la mezcla, aplicando las siguientes fórmulas:

Yi representa las fracciones molares de cada uno de los componentes de la mezcla. Si bien los valores de ai y bi son fijos para cada sustancia, las constantes promedio am y bm se ven afectadas por cambios de composición. Además, si la mezcla sufre un cambio de temperatura, deben recalcularse todos los valores de αi; y por tanto, el parámetro combinado (α*a)_m.

Una vez calculadas las constantes promedio, se resuelve la ecuación de estado elegida, tal como se haría para una sustancia pura. La principal desventaja de este método, es que resulta tedioso para efectos de cálculos manuales, requiriendo una mayor cantidad de tiempo.

El método (b), la regla de Kay, es una alternativa muy práctica para efectos de cálculos manuales, debido a su sencillez y exactitud aceptable; no obstante, sólo aplica para sistemas gaseosos. En la industria del petróleo y gas natural, su uso está muy difundido para efectos de cálculos de diseño rápido (métodos short-cut). Este método define unos parámetros denominados propiedades pseudocríticas. Éstas se calculan mediante reglas de combinación lineal, a partir de la composición molar y propiedades críticas de cada componente de la mezcla. Cabe destacar que las propiedades pseudocríticas, NO representan las propiedades críticas reales de la mezcla, tema que se aborda mejor en textos y cursos superiores de Termodinámica y Gas Natural. Las fórmulas serían:

A partir de estas propiedades pseudocríticas, se pueden calcular propiedades pseudorreducidas, de forma análoga a como se calculan las propiedades reducidas para una sustancia pura. Finalmente, se calcula el factor de compresibilidad Z, según el método más conveniente: gráfica generalizada de Nelson-Obert (teorema de estados correspondientes de 2 parámetros), o correlación de Pitzer mediante tablas de Lee-Kesler (teorema de estados correspondientes de 3 parámetros).

Espero esta publicación resulte de ayuda. Recuerden que pueden dejar sus comentarios e impresiones en este blog.  Así mismo, pueden descargar material de interés clickeando en el ícono del libro.