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Mezcla de gases

La mezcla de gases es el proceso de combinar gases para un propósito específico, donde la composición de la mezcla resultante está definida y, por lo tanto, controlada. Entre su...

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La mezcla de gases es el proceso de combinar gases para un propósito específico, donde la composición de la mezcla resultante está definida y, por lo tanto, controlada. Entre sus aplicaciones se incluyen procesos científicos e industriales, la producción y el almacenamiento de alimentos, y los gases respiratorios.

Las mezclas de gases se suelen especificar en términos de fracción molar (que se aproxima bastante a la fracción volumétrica para muchos gases permanentes ): en porcentaje, partes por mil o partes por millón. La fracción volumétrica se convierte fácilmente en una relación de presiones parciales, según la ley de Dalton de las presiones parciales . La mezcla por presión parcial a temperatura constante es computacionalmente sencilla y la medición de la presión es relativamente económica, pero mantener la temperatura constante durante los cambios de presión requiere retrasos significativos para la igualación de la temperatura. La mezcla por fracción másica no se ve afectada por la variación de temperatura durante el proceso, pero requiere una medición precisa de la masa o el peso y el cálculo de las masas de los componentes a partir de la relación molar especificada. Tanto la mezcla por presión parcial como la mezcla por fracción másica se utilizan en la práctica.

Aplicaciones

Gases de protección para soldadura

Soldadura con gas inerte de tungsteno

Los gases de protección son gases inertes o semi-inertes que se utilizan en la soldadura por arco metálico con gas y en la soldadura por arco de tungsteno con gas para proteger la zona de soldadura del oxígeno y del vapor de agua, que pueden reducir la calidad de la soldadura o dificultar el proceso.

La soldadura por arco metálico con gas (GMAW), o soldadura MIG (metal inerte gaseoso), es un proceso que utiliza un alambre de alimentación continua como electrodo consumible y una mezcla de gas inerte o semi-inerte para proteger la soldadura de la contaminación. [ 1 ] La soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), o soldadura TIG (tungsteno inerte gaseoso), es un proceso de soldadura manual que utiliza un electrodo de tungsteno no consumible , una mezcla de gas inerte o semi-inerte y un material de aporte independiente. [ 2 ]

Envasado en atmósfera modificada en la industria alimentaria

El envasado en atmósfera modificada conserva los productos frescos para mejorar la calidad del producto entregado y prolongar su vida útil. La composición del gas utilizado para envasar los productos alimenticios depende del producto. Un alto contenido de oxígeno ayuda a conservar el color rojo de la carne, mientras que un bajo contenido de oxígeno reduce el crecimiento de moho en el pan y las verduras. [ 3 ] Las guías de la industria resumen los gases MAP comunes y los métodos de aplicación (por ejemplo, purga o inyección en línea); los documentos de la FAO proporcionan principios generales, mientras que las notas de aplicación del fabricante ilustran los gases típicos y las disposiciones de suministro utilizadas en la práctica. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Mezclas de gases para la elaboración de cerveza

  • Burbujeo : Se burbujea un gas inerte, como nitrógeno, a través del vino, lo que elimina el oxígeno disuelto. También se elimina el dióxido de carbono y, para asegurar que quede una cantidad adecuada de dióxido de carbono, se puede utilizar una mezcla de nitrógeno y dióxido de carbono como gas de burbujeo. [ 3 ]
  • Purga y inertización: La eliminación del oxígeno del espacio superior sobre el vino en un recipiente mediante el lavado con una mezcla de gases similar a la utilizada para el burbujeo se denomina purga, y si se deja allí se denomina inertización o inertización. [ 3 ]

Mezclas de gases respiratorios para buceo

Equipo de mezcla de gases a presión parcial para buceo

Un gas respiratorio es una mezcla de elementos y compuestos químicos gaseosos que se utiliza para la respiración . El componente esencial de cualquier gas respiratorio es una presión parcial de oxígeno de entre aproximadamente 0,16 y 1,60 bar a la presión ambiente . El oxígeno suele ser el único componente metabólicamente activo, a menos que se trate de una mezcla anestésica. Parte del oxígeno del gas respiratorio se consume en los procesos metabólicos, mientras que los componentes inertes permanecen inalterados y sirven principalmente para diluir el oxígeno a una concentración adecuada; por lo tanto, también se conocen como gases diluyentes.

Submarinismo

La mezcla de gases para el buceo consiste en llenar las botellas de buceo con gases respiratorios distintos del aire, como nitrox , trimix y heliox . El uso de estos gases generalmente tiene como objetivo mejorar la seguridad general de la inmersión planificada, al reducir el riesgo de enfermedad por descompresión o narcosis por nitrógeno , y puede facilitar la respiración .

Buceo con suministro desde superficie y buceo de saturación

La mezcla de gases para el buceo con suministro de superficie y el buceo de saturación puede incluir el llenado de cilindros de almacenamiento a granel y cilindros de reserva con gases respiratorios, pero también implica la mezcla de gases respiratorios a menor presión que se suministran directamente al buceador o al sistema hiperbárico de soporte vital . Parte del funcionamiento del sistema de soporte vital consiste en la reposición del oxígeno utilizado por los ocupantes y la eliminación del dióxido de carbono residual mediante la unidad de acondicionamiento de gases. Esto implica la monitorización de la composición del gas de la cámara y la adición periódica de oxígeno al gas de la cámara a la presión interna de la misma.

La unidad de mezcla de gases forma parte del equipo de soporte vital de un sistema de saturación, junto con otros componentes que pueden incluir almacenamiento de gas a granel, compresores, unidad de recuperación de helio, suministro de agua caliente para campana y buceadores, unidad de acondicionamiento de gases y suministro de energía de emergencia [ 8 ].

mezclas de gases medicinales

Máquina de anestesia

La máquina de anestesia se utiliza para mezclar gases respiratorios para pacientes bajo anestesia durante la cirugía. El sistema de mezcla y suministro de gases permite al anestesiólogo controlar la fracción de oxígeno, la concentración de óxido nitroso y la concentración de agentes anestésicos volátiles. [ 9 ] La máquina generalmente se alimenta con oxígeno (O 2 ) y óxido nitroso (N 2 O) desde líneas de baja presión y cilindros de reserva de alta presión, y el gas dosificado se mezcla a presión ambiente, después de lo cual se pueden agregar agentes anestésicos adicionales mediante un vaporizador, y el gas puede humidificarse. El aire se utiliza como diluyente para disminuir la concentración de oxígeno. En casos especiales, también se pueden agregar otros gases a la mezcla. Estos pueden incluir dióxido de carbono (CO 2 ), utilizado para estimular la respiración, y helio (He) para reducir la resistencia al flujo o para mejorar la transferencia de calor. [ 10 ]

Los sistemas de mezcla de gases pueden ser mecánicos, utilizando bancos de rotámetros convencionales, o electrónicos, utilizando solenoides proporcionales o inyectores pulsados, y el control puede ser manual o automático. [ 9 ]

procesos de producción química

Suministrar materiales gaseosos reactivos para procesos de producción química en la proporción requerida.

Fabricación y almacenamiento en atmósfera controlada

Se pueden utilizar mezclas de gases protectores para impedir que el aire u otros gases entren en contacto con la superficie de materiales sensibles durante su procesamiento. Algunos ejemplos son la fusión de metales reactivos como el magnesio y el tratamiento térmico de aceros.

Mezclas de gases personalizadas para aplicaciones analíticas

Gases de calibración :

  • Los gases de referencia se utilizan para probar y calibrar equipos de detección de gases, exponiendo el sensor a una concentración conocida de un contaminante. Estos gases sirven como punto de referencia para garantizar lecturas correctas tras la calibración y poseen una composición muy precisa, con una concentración del gas a detectar muy cercana al valor preestablecido para el detector.
  • El gas de referencia es normalmente un gas libre del componente que se va a medir, y lo más similar posible a la composición del gas que se va a monitorizar, y se utiliza para calibrar el punto cero del sensor.

Las mezclas de gases de calibración se suelen producir por lotes mediante métodos gravimétricos o volumétricos.

El método gravimétrico utiliza balanzas sensibles y calibradas con precisión para pesar las cantidades de gases añadidas al cilindro. Se requiere una medición precisa, ya que la inexactitud o las impurezas pueden provocar una calibración incorrecta. El recipiente para el gas de calibración debe estar lo más limpio posible. Los cilindros pueden limpiarse mediante purga con nitrógeno de alta pureza y posterior evacuación. Para mezclas particularmente críticas, el cilindro puede calentarse durante la evacuación para facilitar la eliminación de cualquier impureza adherida a las paredes. [ 11 ]

Tras el llenado, la mezcla de gas debe mezclarse completamente para asegurar que todos los componentes se distribuyan uniformemente en el recipiente y evitar posibles variaciones en su composición. Esto se suele hacer haciendo rodar el recipiente horizontalmente durante 2 a 4 horas. [ 11 ]

Métodos

Existen varios métodos para la mezcla de gases. Estos se pueden clasificar en métodos por lotes y procesos continuos.

Métodos por lotes

La mezcla de gases por lotes requiere medir y mezclar las cantidades adecuadas de los gases constituyentes hasta obtener una mezcla homogénea. Las cantidades se basan en las fracciones molares, pero se miden por volumen o por masa. La medición del volumen puede realizarse indirectamente mediante la presión parcial, ya que los gases suelen decantarse secuencialmente en el mismo recipiente para su mezcla y, por lo tanto, ocupan el mismo volumen. La medición del peso se utiliza generalmente como aproximación a la medición de la masa, ya que la aceleración suele considerarse constante.

La fracción molar, también llamada fracción de cantidad, es el número de moléculas de un componente dividido por el número total de moléculas en la mezcla. Por ejemplo, una mezcla de 50 % de oxígeno y 50 % de helio contendrá aproximadamente el mismo número de moléculas de oxígeno y helio. Dado que tanto el oxígeno como el helio se comportan como gases ideales a presiones inferiores a 200 bar, ambos ocuparán el mismo volumen a la misma presión y temperatura, por lo que se pueden medir por volumen a la misma presión y luego mezclarlos, o por presión parcial al decantarlos en el mismo recipiente.

La fracción másica se puede calcular a partir de la fracción molar multiplicando esta última por la masa molecular de cada componente para obtener su masa, y comparándola con la suma de las masas de todos los componentes. La masa real de cada componente necesaria para una mezcla se calcula multiplicando la fracción másica por la masa deseada de la mezcla.

Mezcla por presión parcial

También conocido como mezcla volumétrica. Para obtener la máxima precisión, este proceso debe realizarse a temperatura constante, aunque es posible compensar las variaciones de temperatura en proporción a la exactitud de la temperatura medida antes y después de añadir cada gas a la mezcla.

La mezcla de gases a presión parcial se utiliza habitualmente para la respiración en el buceo. La precisión requerida para esta aplicación se logra utilizando un manómetro con una precisión de 0,5  bar y permitiendo que la temperatura se estabilice después de añadir cada gas.

Mezcla de fracciones de masa

También conocida como mezcla gravimétrica. Este método no se ve afectado significativamente por la temperatura, y su precisión depende de la exactitud en la medición de la masa de los componentes.

La mezcla por fracción másica se utiliza cuando la precisión de la mezcla es fundamental, como en el caso de los gases de calibración. Este método no es adecuado para plataformas móviles, donde las aceleraciones pueden provocar mediciones inexactas, por lo que no resulta apropiado para la mezcla de gases de buceo en embarcaciones.

Procesos continuos

Aditivo

Estación de mezcla de Nitrox que utiliza mezcla de flujo continuo antes de la compresión.
Tubo mezclador de Nitrox para mezclar oxígeno en el aire de admisión de un compresor.
  • Mezcla a flujo constante: se mezcla un flujo controlado de los gases constituyentes para formar el producto. La mezcla puede realizarse a presión ambiente o a una presión superior a la ambiente, pero inferior a la presión del gas de suministro.
    • Suministro de flujo másico constante: Se utilizan controladores de flujo másico de precisión para controlar el caudal de cada gas en la mezcla. Se pueden instalar caudalímetros másicos en las salidas de los controladores para monitorizar la salida. Los gases pueden pasar por un mezclador estático para garantizar una salida homogénea. Normas dinámicas como la ISO 6145-7 describen la preparación de mezclas de gases de calibración mediante controladores de flujo másico térmicos; los datos técnicos del fabricante describen los rangos de rendimiento típicos y las limitaciones en el servicio industrial. [ 12 ] [ 13 ]

La mezcla continua de gases se utiliza en algunas aplicaciones de buceo con suministro desde la superficie y en muchos procesos químicos que utilizan mezclas de gases reactivos, especialmente cuando puede ser necesario modificar la mezcla durante la operación o el proceso.

sustractivo

Estos procesos parten de una mezcla de gases, generalmente aire, y reducen la concentración de uno o más de sus componentes. Se pueden utilizar para la producción de Nitrox para buceo y aire desoxigenado para fines de inertización.

  • Adsorción por variación de presión : Adsorción selectiva de gas en un medio, reversible y proporcional a la presión. El gas se carga en el medio durante la fase de alta presión y se libera durante la fase de baja presión.
  • Separación de gases por membrana : Un gas se fuerza a través de una membrana semipermeable mediante una diferencia de presión. Algunos de los gases que componen la mezcla la atraviesan con mayor facilidad que otros, y la salida del lado de baja presión se enriquece con los gases que la atraviesan más fácilmente. Los gases que tardan más en atravesar la membrana se acumulan en el lado de alta presión y se descargan continuamente para mantener una concentración constante. El proceso puede repetirse en varias etapas para aumentar las concentraciones.

Análisis de gases

Las mezclas de gases se analizan normalmente en proceso (en línea) o fuera de línea después de la mezcla para confirmar su composición y aptitud para el uso. Los objetivos incluyen verificar las fracciones de cantidad objetivo, comprobar la estabilidad/contaminación (por ejemplo, humedad o hidrocarburos) y documentar la trazabilidad y la incertidumbre. Los certificados para mezclas de calibración siguen la norma ISO 6141, y los procedimientos de comparación/calibración se describen en la norma ISO 6143; los programas nacionales de metrología (por ejemplo, NIST SRM/NTRM y gases de protocolo de la EPA en los Estados Unidos) respaldan la trazabilidad en muchas industrias. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]

Principios analíticos comunes. La selección depende de la especie objetivo, el rango, la matriz y la incertidumbre requerida:

  • Oxígeno (O₂ ) : analizadores paramagnéticos (atracción de O₂ en un campo magnético) para la determinación de O₂ a nivel porcentual ; otras opciones incluyen sensores electroquímicos de pilas de combustible y zirconia a temperatura elevada. [ 19 ] [ 20 ]
  • Dióxido de carbono (CO₂ ) / monóxido de carbono (CO): la fotometría infrarroja no dispersiva (NDIR) se utiliza ampliamente y se designa como Método de Referencia/Equivalente Federal en las regulaciones de aire ambiente para el CO; la NDIR extractiva también se utiliza para corrientes de proceso. [ 21 ] [ 22 ]
  • Hidrocarburos totales (THC): detector de ionización de llama (FID) para la concentración total de compuestos orgánicos gaseosos; se utiliza con muestreo calentado para corrientes condensables. [ 23 ]
  • Óxidos de nitrógeno (NO x ): quimioluminiscencia en fase gaseosa (reacción de NO con O 3 para formar NO 2 excitado ) con convertidor para NO 2 → NO; el rendimiento y el control de calidad se especifican en el Método 7E. [ 24 ]
  • Hidrógeno, helio y otros gases permanentes: detección por conductividad térmica (TCD) o cromatografía de gases (GC-TCD/micro-GC), a menudo en contextos de gas natural y gases especiales; la evaluación del rendimiento para sistemas en línea se describe en la norma ISO 10723. [ 25 ] [ 26 ]

Humedad (vapor de agua). La humedad residual afecta considerablemente la estabilidad y la reactividad; entre los métodos comunes se incluyen los higrómetros de espejo enfriado (con medición primaria del punto de rocío/escarcha como referencia), los sensores electrolíticos (P₂O₅ ) y los sensores de polímero capacitivos para la indicación del proceso. [ 27 ]

Muestreo y acondicionamiento. Las buenas prácticas minimizan la adsorción, la condensación y el fraccionamiento: utilice materiales inertes (p. ej., acero inoxidable 316L o superficies pasivadas adecuadamente), líneas calefactadas cortas para matrices húmedas/condensables, filtración de partículas aguas arriba de los instrumentos y reguladores/control de presión dimensionados para evitar el enfriamiento Joule-Thomson. Para cilindros presurizados, permita el equilibrio térmico y homogeneice las mezclas antes del análisis (p. ej., rodadura o inversión para mezclas multicomponentes). Los métodos reglamentarios/estándar aplicables incluyen comprobaciones de cero/rango, pruebas de linealidad y deriva para verificar el rendimiento antes y después de las ejecuciones (p. ej., métodos EPA 3A, 7E, 25A para comprobaciones de instrumentos en el monitoreo de emisiones). [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

Calibración, verificación e incertidumbre. La calibración rutinaria utiliza mezclas de gases certificadas con incertidumbres y trazabilidad declaradas; se utilizan métodos de comparación según la norma ISO 6143 para determinar o verificar la composición y propagar la incertidumbre a partir de mezclas de referencia. Los analizadores en línea del sector del gas natural suelen evaluarse según los protocolos de la norma ISO 10723. Los programas de los institutos nacionales de metrología (por ejemplo, los esquemas NIST SRM/NTRM y EPA Protocol Gas) proporcionan materiales de referencia y marcos para jerarquías de calibración trazables. [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]

Referencias

  1. ↑ Lincoln Electric, pág. 5.4-3
  2. ↑ Weman, pág. 31
  3. 1 2 3 "Mezcla de gases para aplicaciones de gas de protección, envasado en atmósfera modificada y purga - Dansensor" . www.gasmixing.com . Archivado del original el 27 de marzo de 2014.
  4. ↑ "Envasado de pescado en atmósfera modificada" . Repositorio de documentos corporativos de la FAO . Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  5. ↑ "Envasado en atmósfera modificada" . Prácticas de manipulación poscosecha a pequeña escala . Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  6. ↑ "Mezcladores de gas para el procesamiento y envasado de alimentos" . BSL Gas Technologies . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  7. ↑ "¿Qué gases se utilizan comúnmente en el envasado en atmósfera modificada (MAP)?" . BSL Gas Technologies . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  8. ↑ Bevan, John , ed. (2005). «Sección 5.4». Manual del buceador profesional (segunda edición). Alverstoke, GOSPORT, Hampshire: Submex Ltd. pág. 242. ISBN   978-0950824260.
  9. 1 2 La máquina de anestesia - Sistemas de mezcla de gases http://www.anaesthesia.med.usyd.edu.au/resources/lectures/gas_supplies_clt/gasmixing.html Archivado el 4 de marzo de 2015 en Wayback Machine
  10. ↑ Bronzino, Joseph D. (15 de febrero de 2000). Manual de ingeniería biomédica 1. Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-540-66351-5.
  11. 1 2 Personal, Wilhelmsen Ships Service: "Gases Span" http://www.wilhelmsen.com/services/maritime/companies/buss/BUSS_Pressroom/Documents/Span%20Gases.pdf Archivado el 4 de marzo de 2016 en Wayback Machine
  12. ↑ "ISO 6145-7:2018 Análisis de gases — Preparación de mezclas de gases de calibración mediante métodos dinámicos — Parte 7: Controladores térmicos de flujo másico" . Organización Internacional de Normalización . 2018. Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  13. ↑ "Válvulas de control de flujo másico (serie MFCV) — Catálogo, número 2 (PDF)" (PDF) . BSL Gas Technologies . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  14. ↑ "ISO 6141:2015 Análisis de gases — Contenido de los certificados para mezclas de gases de calibración" . ISO . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  15. ↑ "ISO 6143:2001 Análisis de gases — Métodos de comparación para determinar y comprobar la composición de mezclas de gases de calibración" . ISO . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  16. ↑ "ISO/FDIS 6143:2025 — Análisis de gases — Métodos de comparación (borrador final)" . ISO (FDIS) . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  17. ↑ "Gases de calibración trazables: SRM, NTRM y gases de protocolo" . NIST . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  18. ↑ "Programa de materiales de referencia trazables del NIST para estándares de gas" . NIST . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  19. ↑ Jasek, K. (2022). "Sensores paramagnéticos para la determinación de oxígeno: principios y aplicaciones" . ACS Sensors . doi : 10.1021/acssensors.2c00938 . PMC 9706814. Consultado el 12 de agosto de 2025 . 
  20. ↑ "Método 3A — Determinación de O 2 y CO 2 en emisiones de fuentes estacionarias (instrumental)" . US EPA . 14 de enero de 2025. Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  21. ↑ "40 CFR Parte 50, Apéndice C — Método de referencia para CO (NDIR)" . eCFR . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  22. ↑ "Método 3A — Determinación de O 2 y CO 2 (instrumental)" (PDF) . US EPA . 3 de agosto de 2017. Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  23. ↑ "Método 25A: Determinación de la concentración total de compuestos orgánicos gaseosos mediante un analizador de ionización de llama" . US EPA . 4 de octubre de 2024. Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  24. ↑ "Método 7E — Determinación de óxidos de nitrógeno por quimioluminiscencia en fase gaseosa" (PDF) . US EPA . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  25. ↑ "ISO 10723:2012 Gas natural — Evaluación del rendimiento de los sistemas analíticos" . ISO . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  26. ↑ "ISO 10723:2012 (ejemplo en PDF)" (PDF) . ISO/ITEH . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  27. ↑ "Higrómetros" . NIST . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
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  29. ↑ "Método 7E — Determinación de NOx por quimioluminiscencia" (PDF) . US EPA . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  30. ↑ "Método 25A — Concentración total de compuestos orgánicos gaseosos (FID)" . US EPA . 4 de octubre de 2024. Consultado el 12 de agosto de 2025 .
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  32. ↑ "ISO 10723:2012 Gas natural — Evaluación del rendimiento de los sistemas analíticos" . ISO . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  33. ↑ "Gases de calibración trazables: SRM, NTRM y gases de protocolo" . NIST . Consultado el 12 de agosto de 2025 .
  • Lincoln Electric (1994). Manual de procedimientos de soldadura por arco . Cleveland : Lincoln Electric. ISBN 99949-25-82-2.
  • Weman, Klas (2003). Manual de procesos de soldadura . Nueva York, NY: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8.

Véase también