¿Qué información se ofrece en este artículo?
Cómo convertir las fracciones volumétricas en fracciones en peso, empleando un procesador de cálculo. Se incluyen los gases que con mayor frecuencia están presentes en el ambiente energético e industrial.
Conversión de las fracciones en volumen a fracciones en peso para un gas o una mezcla gaseosa.
Para una aplicación específica, donde se requiera convertir las fracciones en volumen de un combustible gaseoso a fracciones en peso, se ha diseñado el siguiente procesador. Este procesador servirá como complemento de los calculadores que integran el procedimiento para calcular las pérdidas de la combustión.
Seguidamente se explica cómo realizar el proceso de conversión de las unidades volumétricas de concentración a unidades en peso o fracciones en peso.
Expresiones para convertir las fracciones en volumen a fracciones en peso de un componente gaseoso.
Definiciones necesarias:
Fracción molar: Son los moles de una sustancia divididos por el total de moles presente en ella.
Fracción en peso: El peso de una sustancia dividido por el total en peso de todas las sustancias presentes.
Base seca: Los análisis de gases, como los gases combustibles, el aire y los productos de la combustión, son expresados en base seca (exento de vapor de agua). Corrientemente se emplea el término Orsat para nombrar este tipo de análisis haciendo referencia al equipo que comúnmente se empleaba y aún se emplea, en estas determinaciones.
Fracciones en volumen. El análisis Orsat reporta los resultados en fracción en volumen. Cada componente ocupa una fracción de volumen en el volumen total de la muestra, en base seca.
Fracción en volumen vs Fracción molar: Son equivalentes. Si un componente en una muestra representa el 21% (o el 0.21), es equivalente a decir que su fracción molar es 21% (o 0.21). Es decir, que de cada 100 moles 21 corresponden al componente (o de cada uno, 0.21 corresponden al componente) en cuestión.
Dos ejemplos prácticos, el aire y un gas combustible.
El primer ejemplo, el aire:
El análisis Orsat del aire reporta que contiene el 21% en vol de oxígeno y el 79 % en volumen de N2, para un total del 100% en volumen, equivalente a 100 lb-moles de aire, bajo condiciones normales (N) de temperatura y presión (
N: condiciones normales temperatura 32 ºF y presión 29,92 plg Hg ).
Cada fracción en volumen se multiplica por el peso molecular del componente y se obtendrán las lb del componente en una muestra 100% en peso:
En volumen
Partimos de la concentración expresada en pie3 del componente /pie3 de la mezcla
Oxígeno
= Concentración volumétrica = 21 % .
Nitrógeno = Concentración volumétrica = 79 %.
Entonces 21 moles de O2 * 32 lb = 672 lb de oxigeno
Igualmente, 79 moles de N2 * 28.2* lb = 2227.8 lb
32 y 28.2 son los pesos moleculares del oxígeno y del nitrógeno atmosférico.
Peso total en la muestra 100 lb - moles = 672 + 2227.8 = 2899.8 lb.
Si sabemos que bajo condiciones normales 1 lb-mol de gas ocupa 359 pie3 (o 1 kg-mol ocupa 22.4m3), la densidad del aire bajo condiciones normales será 2899.8 lb/(100 moles *359 pie3) = 0.0808 lb/pie3N y el peso de cada lb-mol de aire será 28.99 lb lo que es igual al peso molecular del aire.
En peso
Obtendremos la concentración expresada en peso del componente / pie3 de la mezcla o /lb de la mezcla:
Oxígeno
= = (672 lb / 2899.8)*100 = 23.19 %
Nitrógeno =(2227.8 / 2899.8)*100 = 76.83 %
Total en peso = 100 %
*Nota: Incluye Ar, CO2, Kr, Ne, Xe y es llamado nitrógeno atmosférico. Su peso molecular es 28.2.
El segundo ejemplo, Gas Natural (GN):
Un gas combustible, compuesto por una mezcla de hidrocarburos gaseosos, formando parte de una corriente de Gas Natural. Su composición química expresada en volumen del componente por pie3 de la mezcla, es la siguiente:
| Composición volumétrica del gas combustible (GN) , en % en vol. (Condiciones normales N) |
| Composición |
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
C4H10 |
N2 |
Total |
UNO - Conversión de la fracción o concentración en volumen a fracción o concentración en peso.
Base=100 moles de GN |
| Moles/100 moles de Gas Natural (Comp.inicial) |
86,91 |
12 |
0.33 |
0.05 |
0.71 |
100 |
| Peso Molecular de cada componente, lb/mol |
16 |
30 |
44 |
58 |
28 |
|
| Peso del componente en la mezcla, lb |
1390.56 |
360 |
14.52 |
2.9 |
19.88 |
1787.6 |
| Fracción en peso, lb/lb de mezcla |
0.777 |
0.201 |
0.00812 |
0.00162 |
0.011 |
0.9987 |
| Fracción en peso, lb/pie3 normal mezcla |
0.03873 |
0.01003 |
0.000405 |
8.07E-05 |
5.53E-04 |
0.0498 |
| densidad del gas lb/pie3N |
100 moles ocupan 35900 pie3 bajo condiciones normales (N) |
0.0498 |
| Peso Molecular del GN, lb/mol |
Base tomada: 100 moles de GN |
17.879 |
| DOS - Cálculo de los componentes elementales C, H, O, S, N. Un balance material en cada reacción química de combustión. Base=100 moles de GN |
| Moles de C/ mol del componente |
1 |
2 |
3 |
4 |
0 |
- |
| Moles de H/ mol del componente |
2 |
3 |
4 |
5 |
0 |
- |
| Moles de C/100 moles del GN |
86.91 |
24 |
0.99 |
0.2 |
0 |
112.1 |
| Moles de H/100 moles del GN |
173.82 |
36 |
1.32 |
0.25 |
0 |
211.39 |
| lb de C / 100 moles de GN |
Si se calcula la densidad y el PM coincidirán con el calculado
en el UNO anterior |
1345.2 |
| lb de H / 100 moles de GN |
422.8 |
| lb de N / 100 moles de GN |
19.9 |
| lb totales / 100 moles GN |
1787.9 |
Secuencia de cálculos que realiza el procesador, partiendo del 100 % en vol en la muestra:
1) Calcular el peso de cada componente (ci) en la muestra: ci =(PMi* %voli ) en la composición volumétrica, donde PM es el peso molecular en lb de cada componente i , voli i es la fracción volumétrica de cada componente. Realizar la sumatoria de todos los componentes para hallar el peso total de la muestra.
2)
Determinar el total en peso de los componentes en la muestra (Tot) = Σci. Se suman los pesos de todos los componentes
3) Encontrar la fracción en peso de cada componente en la muestra total (PMi* %voli )/(Tot). Se puede expresar en tanto por uno o porciento en peso.
Se calculará el peso de los componentes elementales que intervienen. Esta información puede ser útil para determinar el poder Calórico del combustible.
4) Cada componente presente en la mezcla se separa entre los moles de Carbono, Hidrógeno y Oxígeno que contienen y que forman parte de las reacciones de combustión. Veamos un ejemplo:
| Balance material de la Reacción química de combustión |
| |
Reaccionantes |
|
Productos |
| Reacción combustión |
CH4 |
+ 2O2 |
----> |
CO2 |
+ 2H2O |
| Peso Mol, lb/mol |
16 |
32 |
----> |
44 |
18 |
| Peso, lb |
16 |
64 |
----> |
44 |
36 |
| Componentes elementales |
1 C + 4 H |
4 Ox |
----> |
1 C + 2 Ox |
4 H + 2 Ox |
| Peso por componente, lb |
1x12 + 4x1 |
4x16 |
----> |
1x12 + 2x16 |
4x1 + 2x16 |
| Balance reaccionantes=productos |
80 lb-mol |
----> |
80 lb-mol |
5 )La sumatoria de los moles de carbono, de hidrogeno, de oxígeno y se agrega el nitrógeno inerte, más agua, si la muestra la contiene éste elemento. Será el número total de moles elementales que contiene la mezcla.
C=∑Ci
H=∑Hi
O=∑Oi
S=∑Si
N=∑Ni
Y el total en peso de los componentes elementales en la mezcla es igual a: C+H+O+S+N + H2O
¿Qué tarea resolverá este procesador de cálculo?
Realizará la conversión de la fracción o concentración en volumen a fracción o concentración en peso y el proceso de cálculo de los componentes elementales C, H, O, S, N. A la vez calculará la densidad y el Peso Molecular de la mezcla gaseosa. Ver Tabla anterior.
Para realizar este procesamiento de datos, el calculador necesitará se registren las fracciones o concentraciones volumétricas en el Formulario de entrada, expresadas en tanto por ciento. Una regla inflexible es que la sumatoria de las fracciones o concentraciones volumétricas sea igual a 100.
Formulario de entrada
Para asegurar la calidad de la información, a continuación se validan los datos registrados anteriormente. La condición a asegurar es que la sumatoria de la composición que se registre sea igual a 100 o 100%.
Como se puede observar, cada campo de selección contiene el valor predefinido, en el entorno realmente posible, entre 0. 1 y 100 %, por lo que la precisión de la información es 0.001. El usuario solo tiene que seleccionar el valor que coincide con su dato real. Esto garantiza que los caracteres que se envíen sean los correctos (numéricos) y que la comprobación se concrete a asegurar que los datos existan en realidad y que cumplan que su sumatoria sea igual a 100.
Si los datos no son registrados correctamente en el formulario, si los datos no son enviados al bloque de comprobación, validados y aceptados, no se podrá consultar el resto del contenido de la página. Es condición imprescindible que el Bloque de Validación apruebe y de luz verde al procesamiento que continúa. Seguidamente se muestra el resultado del proceso de validación anterior:
Resultados del proceso de validación
Resultados del proceso de validación:
---Validando que la sumatoria de la composición química del combustible sea = 1 y que la composición registrada coincida con el estado del combustible que se ha seleccionado.
2.0.1 Soy Gas y el total de la composición es=
0
2.2 Faltan componentes por registrar o la sumatoria de la composición del total gas es =
( 0 )difiere de 100 unidades.
| | 
