Aplicacion de los Gases Ideales en La industria

Desde hace muchos años, la industria química es un sector en desarrollo en la economía mundial, incorporando cada vez más tecnologías tendentes a una mejora de los ratios de producción, así como a minimizar el impacto medioambiental de las emisiones de este tipo de industria.Air Liquide, multinacional ubicada en más de 70 países, dedicada a la fabricación y suministro de gases industriales y servicios asociados, responde a las necesidades de la industria química con nuevas aplicaciones de los gases industriales y servicios, destinadas a colaborar con ella en la consecución de sus objetivos de rentabilidad y minimización y control de las emisiones medioambientales.

Aplicación de gases

Entre las aplicaciones de gases más comúnmente utilizadas en la industria química, podemos destacar las siguientes, que pasaremos más adelante a desarrollar: inertizado y “blanketing”; purgas; recuperación de compuestos orgánicos volátiles; regulación de temperatura y reacciones a muy baja temperatura; tratamiento de aguas y limpieza de superficies.

Inertizado y “blanketing”

Es una técnica de protección que, por lo común, no tiene relación directa con los procesos de fabricación, sino más bien con la seguridad de las instalaciones y la calidad de los productos.Estos productos pueden estar en estado sólido (bloques, granos), líquido (gases licuados o productos líquidos o en fusión) o gaseoso (gases o disolventes vaporizados).
Los ejemplos de aplicación son muy variados:

•  Protección de depósitos, reactores o centrífugas donde se almacenen productos peligrosos, malolientes, etc.
• Sobrepresión de nitrógeno en equipos de regulación y control que impida el acceso de vapores corrosivos al interior.
•  Protección de fibras sintéticas a la salida de la extrusora.
•  Transporte de productos químicos elaborados en atmósfera de nitrógeno, etc.

La seguridad primaria en los procesos de elaboración de productos consiste en evitar la formación de atmósferas peligrosas, generadoras de incendios y/o explosiones, evitando la presencia del principal comburente, que es el oxígeno.

Purgas

Igual que en el caso anterior, el trabajar con productos sensibles hace necesario en muchos momentos del proceso realizar purgas que permitan garantizar las condiciones esenciales del producto: seguridad, economía y calidad.Se distinguen principalmente, según las características de los recipientes a purgar, tres formas diferentes de realizar la purga:

•  Purga por desplazamiento. El caso más simple es el barrido de una canalización. Se inyecta el nitrógeno por un extremo, produciéndose un frente móvil de inertización.
•  Purga por dilución. Se realiza en recintos intermedios con puntos de entrada y salida del gas alejados entre sí. El volumen de gas a utilizar se corresponde con el volumen del recinto, dependiendo de los niveles iniciales y finales deseados del gas a purgar.
•  Purga por ciclos de compresión-expansión. Se emplea cuando la geometría del recinto y la ubicación de las entradas y salidas no permite un barrido. El cálculo de los ciclos necesarios depende de las presiones que puedan obtenerse en el depósito.

Recuperación de COV´s

Cada vez son más las operaciones en las que se requiere diluir un producto en un disolvente (pinturas, tintas, resinas, etc.). Además de las exigencias medioambientales, que regulan la emisión de estos compuestos, con restricciones cada vez mayores debido a la carestía y precio de esos disolventes, cada vez resulta más interesante recuperarlos de las emisiones a la atmósfera mediante algún proceso simple y fiable.La recuperación por vía criogénica, utilizando el poder frigorífico del nitrógeno líquido, permite el licuado y recuperación posterior del disolvente en atmósferas inertes, sin posibilidad de que se formen mezclas explosivas. Así se puede llegar al nivel requerido, emitiendo a la atmósfera el resto sin problemas de contaminación medioambiental.
En la fase de recuperación aprovechamos el poder del nitrógeno líquido, que nos proporciona:

•  El calor latente de vaporización y el calor sensible del nitrógeno gas para condensar y separar el disolvente.
•  La inercia química del nitrógeno vaporizado durante el secado del producto, que elimina los problemas inherentes a los límites de inflamabilidad de los vapores del disolvente.

Con esta técnica se producen economías sobre el volumen de gas de tratamiento, ya que la presencia de nitrógeno permite trabajar con mayores contenidos de disolvente, disminuyendo las inversiones en el circuito de secado

Regulación de temperatura y reacciones

Muchas operaciones químicas y fisicoquímicas en fase líquida deben llevarse a cabo a una temperatura determinada, y controlada. Cuando estas operaciones van acompañadas de una producción espontánea de calor (reacción exotérmica), el mantenimiento de la temperatura requerida obliga a poner en juego algún dispositivo de enfriamiento.El nitrógeno líquido es un medio de almacenar importantes cantidades de frigorías y capaz de liberarlas en una amplia gama de temperaturas, desde la ambiente hasta -196 ºC. El poder frigorífico del nitrógeno líquido permite hacer frente a demandas excepcionales que las instalaciones convencionales son incapaces de atender. Su utilización permite:

• Una inversión modesta.
•  Un equipo fiable de altas prestaciones y enorme sencillez.
•  Un procedimiento de gran flexibilidad.
•  Fácil adaptación a las instalaciones existentes.
•  Mejora del rendimiento de la reacción.

Para inyectar las frigorías del nitrógeno líquido y regular la temperatura en una reacción Air Liquide desarrolla sus propios equipos de inyección, regulación y control. Podemos destacar tres formas principales de realizar el proceso: inyección directa, refrigeración mediante un cambiador dentro del reactor y refrigeración mediante un fluido frigoportante.
El cálculo y desarrollo de la solución adaptada a cada caso depende de las características de los ciclos de refrigeración (y calentamiento en el caso de que lo haya) del proceso, a estudiar por los servicios de ingeniería y técnicas avanzadas de Air Liquide.

Depuración de aguas residuales

Todos los procesos biológicos aplicados a depurar aguas requieren oxígeno. El interés en reducir los parámetros de vertido de las aguas residuales de la industria química, ha favorecido la utilización de oxígeno en las depuradoras, sobre todo cuando éstas se encuentran sobrecargadas, o cuando interesa aumentar su capacidad de depuración.En algunos casos, la utilización de oxígeno ha permitido aumentar a más del doble la capacidad de depuración de una E.D.A.R., sin realización de obra civil y sin modificación de la balsa biológica propiamente dicha.
En otros casos, el diseño de sistemas de depuración biológica que trabajen con oxígeno puro (en vez de con sistemas de aireación) permite reducir la inversión necesaria a realizar cuando se estudia la instalación de una estación de depuración de aguas.
El tratamiento del agua en la planta con oxígeno permite además reducir las concentraciones de hierro y manganeso en el agua, por reacciones de oxidación y precipitación, así como favorecer la oxidación de sulfuros.
La reducción de las incrustaciones que se producen en las tuberías de recirculación del agua, por depósitos de carbonatos u otros productos, así como la agresividad del agua se pueden reducir o eliminar por el equilibrado calcocarbónico de las aguas de proceso, por adición de sosa y CO₂. Un perfecto control sobre este agua permite un menor mantenimiento de las tuberías.
La utilización en cualquier proceso de ácidos minerales (como el sulfúrico, nítrico, etc.) comporta riesgos en la seguridad. En muchos casos la sustitución de estos ácidos para reacciones de neutralización por CO₂ –bien en aguas residuales como en aguas o productos de proceso– permite realizar estas operaciones sin riesgos (sin sobreacidificaciones, ni riesgos de seguridad a los operarios por posibles fugas) y a un precio totalmente competitivo con los costes actuales.

Limpieza de superficies

La limpieza de superficies que contengan restos de adhesivos, desmoldantes, o productos difíciles de retirar, implican el uso de tecnologías costosas tanto por la mano de obra puesta en juego, como por los productos necesarios para ello (en muchos casos disolventes agresivos medioambientalmente). Además, la necesidad en muchos casos de desmontar las piezas a limpiar implica paradas en la producción que obligan a reducir la producción posible.
La limpieza de superficies por el método Cleanblast, de proyección de partículas de hielo seco a alta velocidad, permite un resultado óptimo, sin deterioro de la superficie a tratar, sin utilizar disolventes agresivos medioambientalmente, y con una rapidez de tratamiento que redunda en una ganancia de productividad. Esta tecnología se emplea para limpieza de múltiples superficies, desde moldes de fabricación de neumáticos y otros productos, hasta alternadores eléctricos o rotativas de imprenta.

Conclusiones

La utilización de gases industriales en la industria química y petroquímica se realiza cada vez más para aumentar la productividad de los procesos, bien basándose en un mejor control de los mismos (control de temperatura, parámetros operacionales) o en un aumento de los niveles de seguridad implicados en dichos procesos. Además, la utilización de tecnologías “verdes”, que impliquen el uso de productos no agresivos medioambientalmente se está viendo favorecido día a día, tanto en el ámbito de la legislación, que cada vez se endurece más en estos campos, como en el terreno de la responsabilidad de producción y concienciación ciudadana, favoreciéndose por las organizaciones preocupadas por la conservación del medio la difusión de los productos finales o intermedios fabricados según tecnologías poco agresivas con la naturaleza.

Definicion de Gases Ideales

Un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento aleatorio que no interactúan entre sí. El concepto de gas ideal es útil porque el mismo se comporta según la ley de los gases ideales, una ecuación de estado simplificada, y que puede ser analizada mediante la mecánica estadística.
En condiciones normales tales como condiciones normales de presión y temperatura, la mayoría de los gases reales se comporta en forma cualitativa como un gas ideal. Muchos gases tales como el nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, gases nobles, y algunos gases pesados tales como el dióxido de carbono pueden ser tratados como gases ideales dentro de una tolerancia razonable.Generalmente, el apartamiento de las condiciones de gas ideal tiende a ser menor a mayores temperaturas y a menor densidad (o sea a menor presión), ya que el trabajo realizado por las fuerzas intermoleculares es menos importante comparado con energía cinética de las partículas, y el tamaño de las moléculas es menos importante comparado con el espacio vacío entre ellas.
El modelo de gas ideal tiende a fallar a temperaturas menores o a presiones elevadas, cuando las fuerzas intermoleculares y el tamaño intermolecular es importante. También por lo general, el modelo de gas ideal no es apropiado para la mayoría de los gases pesados, tales como vapor de agua o muchos fluidos refrigerantes. A ciertas temperaturas bajas y a alta presión, los gases reales sufren una transición de fase, tales como a un líquido o a un sólido. El modelo de un gas ideal, sin embargo, no describe o permite las transiciones de fase. Estos fenómenos deben ser modelados por ecuaciones de estado más complejas.
El modelo de gas ideal ha sido investigado tanto en el ámbito de la dinámica newtoniana (como por ejemplo en "teoría cinética") y en mecánica cuántica (como "partícula en una caja"). El modelo de gas ideal también ha sido utilizado para modelar el comportamiento de electrones dentro de un metal (en el Modelo de Drude y en el modelo de electrón libre), y es uno de los modelos más importantes utilizados en la mecánica estadística.

Índice

• 1 Tipos de gases ideales
• 2 Gas ideal termodinámico clásico
• 3 Calor específico

Tipos de gases ideales

Existen tres clases básicas de gas ideal:

• El clásico o gas ideal de Maxwell-Boltzmann
• El gas ideal cuántico de Bose, compuesto de bosones
• El gas ideal cuántico de Fermi, compuesto de fermiones

El gas ideal clásico puede ser clasificado en dos tipos: el gas ideal termodinámico clásico y el gas ideal cuántico de Boltzmann. Ambos son esencialmente el mismo, excepto que el gas ideal termodinámico está basado en la mecánica estadística clásica, y ciertos parámetros termodinámicos tales como la entropía son especificados a menos de una constante aditiva. El gas ideal cuántico de Boltzmann salva esta limitación al tomar el límite del gas cuántico de Bose gas y el gas cuántico de Fermi gas a altas temperaturas para especificar las constantes aditivas. El comportamiento de un gas cuántico de Boltzmann es el mismo que el de un gas ideal clásico excepto en cuanto a la especificación de estas constantes. Los resultados del gas cuántico de Boltzmann son utilizados en varios casos incluidos la ecuación de Sackur-Tetrode de la entropía de un gas ideal y la ecuación de ionización de Saha para un plasma ionizado débil.

Gas ideal termodinámico clásico

Las propiedades termodinámicas de un gas ideal pueden ser descritas por dos ecuaciones:
La ecuación de estado de un gas ideal clásico que es la ley de los gases ideales

y la energía interna a volumen constante de un gas ideal que queda determinada por la expresión:

donde

• P es la presión
• V es el volumen
• n es la cantidad de sustancia de un gas (en moles)
• R es la constante de los gases (8.314 J·K⁻¹mol^-1)
• T es la temperatura absoluta
• U es la energía interna del sistema
• es el calor específico adimensional a volumen constante, ≈ 3/2 para un gas monoatómico, 5/2 para un gas diatómico y 3 para moléculas más complejas.

La cantidad de gas en J·K⁻¹ es donde

• N es el número de partículas de gas
• es la constante de Boltzmann (1.381×10⁻²³J·K⁻¹).

La distribución de probabilidad de las partículas por velocidad o energía queda determinada por la distribución de Boltzmann.

Calor específico

El calor específico a volumen constante de nR = 1 J·K⁻¹ de todo gas, inclusive el gas ideal es:

Este es un calor específico adimensional a volumen constante, el cual por lo general depende de la temperatura. Para temperaturas moderadas, la constante para un gas monoatómico es mientras que para un gas diatómico es . Las mediciones macroscópicas del calor específico permiten obtener información sobre la estructura microscópica de las moléculas.
El calor específico a presión constante de 1 J·K⁻¹ gas ideal es:

donde es la entalpía del gas.

Leyes de Gases

Las primeras leyes de los gases fueron desarrolladas desde finales del siglo XVII, cuando los científicos empezaron a darse cuenta de que en las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de una muestra de gas, en un sistema cerrado, se podría obtener una fórmula que sería válida para todos los gases. Estos se comportan de forma similar en una amplia variedad de condiciones debido a la buena aproximación que tienen las moléculas que se encuentran más separadas, y hoy en día la ecuación de estado para un gas ideal se deriva de la teoría cinética. Ahora las leyes anteriores de los gases se consideran como casos especiales de la ecuación del gas ideal, con una o más de las variables constantes.

Índice

• 1 Ley de Charles
• 2 Ley de Gay-Lussac
• 3 Combinación y leyes de los gases ideales
• 4 Otras leyes de los gases

Ley de Charles

Artículo principal: Ley de Charles

La ley de Charles, o ley de los volúmenes, fue descubierta en 1778. Se dice que, para un gas ideal a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta (en Kelvin).
Esto se puede encontrar utilizando la teoría cinética de los gases o un recipiente con calentamiento o enfriamiento [sin congelar <0] con un volumen variable (por ejemplo, un frasco cónico con un globo).

Donde T es la temperatura absoluta del gas (en Kelvin) y k₂ (en m³·K⁻¹) es la constante producida.

Ley de Gay-Lussac

Artículo principal: Ley de Gay-Lussac

Postula que las presiones ejercidas por un gas sobre las paredes del recipiente que lo contienen son proporcionales a sus temperaturas absolutas cuando el volumen es constante.

Combinación y leyes de los gases ideales

Artículo principal: Ley general de los gases

Ley de Boyle establece que el producto presión-volumen es constante:

Ley de Charles muestra que el volumen es proporcional a temperatura absoluta:

Ley de Gay-Lussac dice que la presión es proporcional a la temperatura absoluta:

Donde P es la presión, V el volumen y T la temperatura absoluta de un gas ideal.
Mediante la combinación de (2) o (3) podemos obtener una nueva ecuación con P, V y T.

Definiendo el producto de K₂ por K₃ como K₄ :

Multiplicando esta ecuación por (1):

Definiendo k₅ como el producto de k₁ por k₄ reordenando la ecuación:

Sacando raíz cuadrada:

Renombrando la raíz cuadrada de k₅ como K nos queda la ecuación general de los gases:

Otras leyes de los gases

• La ley de Graham establece que la velocidad de difusión de las moléculas de gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su densidad. En combinación con la ley de Avogadro (es decir, ya que los volúmenes iguales tienen el mismo número de moléculas), es lo mismo que ser inversamente proporcional a la raíz del peso molecular.

• La ley de Dalton de las presiones parciales establece que la presión de una mezcla de gases es simplemente la suma de las presiones parciales de los componentes individuales. Ley de Dalton es el siguiente:

,

O

,

Donde P_Total es la presión total de la atmósfera, P_Gas es la presión de la mezcla de gases en la atmósfera, y P_H20 es la presión del agua a esa temperatura.

• La ley de Henry declara que:

volumen de un gas: Son las dimensiones del espacio que ocupa un gas. En un sistema cerrado, el gas ocupa todo el volumen del sistema. Así por ejemplo, cuando un gas es metido a un recipiente, se expande uniformemente para ocupar todo el recipiente. Cuando un gas es sacado del recipiente al ambiente tenderá a expandirse por la atmósfera.