La mezcla de gases es el proceso de mezclar gases para un propósito específico donde se especifica y controla la composición de la mezcla resultante. Una amplia gama de aplicaciones incluyen procesos científicos e industriales, producción y almacenamiento de alimentos y gases respirables.
Las mezclas de gases generalmente se especifican en términos de fracción molar de gas (que se aproxima estrechamente a la fracción volumétrica de gas para muchos gases permanentes ): en porcentaje, partes por mil o partes por millón. La fracción volumétrica de gas se convierte trivialmente en una relación de presiones parciales, siguiendo la ley de presiones parciales de Dalton . La mezcla de presión parcial a temperatura constante es computacionalmente simple y la medición de la presión es relativamente económica, pero mantener una temperatura constante durante los cambios de presión requiere retrasos significativos para la ecualización de la temperatura. La mezcla por fracción de masa 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 constituyentes a partir de la relación molar especificada. En la práctica se utilizan tanto la mezcla de presión parcial como la de fracción de masa.
Los gases de protección son gases inertes o semiinertes que se utilizan en la soldadura por arco metálico con gas y en la soldadura por arco de tungsteno con gas para proteger el área de soldadura del oxígeno y el vapor de agua, que pueden reducir la calidad de la soldadura o dificultarla.
La soldadura por arco metálico con gas (GMAW), o soldadura con gas inerte (MIG), es un proceso que utiliza una alimentación continua de alambre como electrodo consumible y una mezcla de gases inertes o semiinertes para proteger la soldadura de la contaminación. [1] La soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), o soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG), es un proceso de soldadura manual que utiliza un electrodo de tungsteno no consumible , una mezcla de gas inerte o semiinerte y un material de relleno separado. [2]
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 utilizada para envasar productos alimenticios depende del producto. Un alto contenido de oxígeno ayuda a conservar el color rojo de la carne, mientras que un nivel bajo de oxígeno reduce el crecimiento de moho en el pan y las verduras. [3]
Un gas respirable es una mezcla de elementos y compuestos químicos gaseosos utilizados para la respiración . El componente esencial de cualquier gas respirable es una presión parcial de oxígeno de aproximadamente 0,16 a 1,60 bares a presión ambiente . El oxígeno suele ser el único componente metabólicamente activo, a menos que el gas sea una mezcla anestésica. Parte del oxígeno del gas respirable se consume en los procesos metabólicos y los componentes inertes no cambian y sirven principalmente para diluir el oxígeno a una concentración adecuada, por lo que también se conocen como gases diluyentes.
La mezcla de gases para el buceo es el llenado de cilindros de buceo con gases respirables 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 y/o narcosis por nitrógeno , y puede mejorar la facilidad para respirar .
La mezcla de gases para buceo con suministro de superficie y de saturación puede incluir el llenado de cilindros de almacenamiento a granel y cilindros de rescate con gases respirables, pero también implica la mezcla de gases respirables a menor presión que se suministran directamente al buceador o al sistema de soporte vital hiperbárico. . Parte del funcionamiento del sistema de soporte vital es la reposición del oxígeno utilizado por los ocupantes y la eliminación del producto de desecho de dióxido de carbono mediante la unidad de acondicionamiento de gas. Esto implica controlar la composición del gas de la cámara y la adición periódica de oxígeno al gas de la cámara a la presión interna de la cámara.
La unidad de mezcla de gas es 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 de campana y buzo, unidad de acondicionamiento de gas y suministro de energía de emergencia [4].
La máquina de anestesia se utiliza para mezclar el gas respirable de los pacientes bajo anestesia durante la cirugía. El sistema de mezcla y suministro de gases permite al anestesista controlar la fracción de oxígeno, la concentración de óxido nitroso y la concentración de agentes anestésicos volátiles. [5] La máquina generalmente recibe oxígeno (O 2 ) y óxido nitroso (N 2 O) desde líneas de baja presión y cilindros de reserva de alta presión, y el gas medido se mezcla a presión ambiente, después de lo cual se pueden agregar agentes anestésicos adicionales. por un vaporizador, y el gas puede ser humidificado. El aire se utiliza como diluyente para disminuir la concentración de oxígeno. En casos especiales también se pueden añadir a la mezcla otros gases. Estos pueden incluir dióxido de carbono (CO 2 ), utilizado para estimular la respiración, y helio (He) para reducir la resistencia al flujo o mejorar la transferencia de calor. [6]
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. [5]
Suministro de materiales gaseosos reactivos para procesos de producción química en la proporción requerida.
Se pueden utilizar mezclas de gases protectores para excluir el aire u otros gases de la superficie de materiales sensibles durante el procesamiento. Los ejemplos incluyen la fusión de metales reactivos como el magnesio y el tratamiento térmico de aceros.
Las mezclas de gases de calibración se producen generalmente en lotes mediante métodos gravimétricos o volumétricos.
El método gravimétrico utiliza básculas sensibles y calibradas con precisión para pesar las cantidades de gases agregados 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 perfectamente limpio posible. Los cilindros se pueden limpiar purgándolos con nitrógeno de alta pureza y luego aspirando. Para mezclas particularmente críticas, el cilindro se puede calentar mientras se aspira para facilitar la eliminación de cualquier impureza adherida a las paredes. [7]
Después del llenado, la mezcla de gases debe mezclarse completamente para garantizar que todos los componentes estén distribuidos uniformemente por todo el recipiente para evitar posibles variaciones en la composición dentro del recipiente. Esto comúnmente se hace haciendo rodar el recipiente horizontalmente durante 2 a 4 horas. [7]
Hay varios métodos disponibles para mezclar gases. Estos pueden distinguirse como métodos discontinuos y procesos continuos.
La mezcla de gases por lotes requiere que se midan y mezclen las cantidades apropiadas de los gases constituyentes hasta que la mezcla sea homogénea. Las cantidades se basan en fracciones molares (o molares), pero se miden en volumen o en masa. La medición del volumen se puede realizar indirectamente mediante presión parcial, ya que los gases a menudo se decantan secuencialmente en el mismo recipiente para mezclarlos y, por lo tanto, ocupan el mismo volumen. La medición del peso se utiliza generalmente como indicador de la medición de la masa, ya que la aceleración generalmente puede considerarse constante.
La fracción molar también se llama fracción de cantidad y es el número de moléculas de un constituyente dividido por el número total de todas las moléculas de la mezcla. Por ejemplo, una mezcla de 50% de oxígeno y 50% de helio contendrá aproximadamente la misma cantidad de moléculas de oxígeno y helio. Como tanto el oxígeno como el helio se aproximan a los gases ideales a presiones inferiores a 200 bar, cada uno ocupará el mismo volumen a la misma presión y temperatura, por lo que pueden medirse por volumen a la misma presión y luego mezclarse, o por presión parcial cuando se decantan en el mismo contenedor.
La fracción de masa se puede calcular a partir de la fracción molar multiplicando la fracción molar por la masa molecular de cada constituyente, para encontrar la masa del constituyente y comparándola con las masas sumadas de todos los constituyentes. La masa real de cada componente necesario para una mezcla se calcula multiplicando la fracción de masa por la masa deseada de la mezcla.
También conocido como mezcla volumétrica. Esto debe hacerse a temperatura constante para obtener la mejor precisión, aunque es posible compensar los cambios de temperatura en proporción a la precisión de la temperatura medida antes y después de agregar cada gas a la mezcla.
La mezcla a presión parcial se utiliza comúnmente para respirar gases durante el buceo. La precisión requerida para esta aplicación se puede lograr utilizando un manómetro que lea con precisión 0,5 bar y permitiendo que la temperatura se equilibre después de agregar cada gas.
También conocida como mezcla gravimétrica. Esto relativamente no se ve afectado por la temperatura y la precisión depende de la exactitud de la medición de la masa de los constituyentes.
La mezcla de fracciones de masa se utiliza cuando es fundamental una gran precisión de la mezcla, como en los gases de calibración. El método no es adecuado para plataformas móviles donde las aceleraciones pueden provocar mediciones inexactas y, por lo tanto, no es adecuado para mezclar gases de buceo en embarcaciones.
La mezcla continua de gases se utiliza para algunas aplicaciones de buceo suministradas desde la superficie y para muchos procesos químicos que utilizan mezclas de gases reactivos, particularmente cuando puede ser necesario alterar la mezcla durante la operación o el proceso.
Estos procesos comienzan con una mezcla de gases, generalmente aire, y reducen la concentración de uno o más de los constituyentes. Estos procesos se pueden utilizar para la producción de Nitrox para buceo y aire desoxigenado para fines de protección.
Las mezclas de gases generalmente deben analizarse durante el proceso o después de la mezcla para control de calidad. Esto es particularmente importante para mezclas de gases respirables donde los errores pueden afectar la salud y la seguridad del usuario final.
El contenido de oxígeno es relativamente sencillo de monitorear usando celdas electrogalvánicas y éstas se usan rutinariamente en la industria del buceo submarino para este propósito, aunque otros métodos pueden ser más precisos y confiables.