La mezcla de gases es el proceso de mezclar gases para un fin específico en el que la composición de la mezcla resultante está especificada y controlada. Entre sus aplicaciones se incluyen procesos científicos e industriales, producción y almacenamiento de alimentos y gases respirables.
Las mezclas de gases se especifican generalmente en términos de fracción molar de gas (que se aproxima mucho a la fracción volumétrica de gas para muchos gases permanentes ): por porcentaje, partes por mil o partes por millón. La fracción volumétrica de gas se convierte trivialmente en relación de presión parcial, siguiendo la ley de presiones parciales de Dalton . La mezcla a 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 demoras significativas 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 por presión parcial como por 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 del vapor de agua, que pueden reducir la calidad de la soldadura o dificultarla.
La soldadura por arco de metal con gas (GMAW), o soldadura con gas inerte de metal (MIG), es un proceso que utiliza una alimentación de alambre continua como electrodo consumible y una mezcla de gas inerte o semiinerte 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 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]
Un gas respirable es una mezcla de elementos químicos y compuestos gaseosos que se utilizan para la respiración . El componente esencial de cualquier gas respirable es una presión parcial de oxígeno de entre aproximadamente 0,16 y 1,60 bares a la 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 se modifican 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 que no son respirables con 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 el buceo con suministro desde la superficie y el buceo de saturación puede incluir el llenado de cilindros de almacenamiento a granel y cilindros de emergencia 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 por parte de la unidad de acondicionamiento de gas. Esto implica el control 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 cámara.
La unidad de mezcla de gases 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 para campanas y buzos, unidad de acondicionamiento de gas y fuente de alimentación de emergencia [4]
La máquina de anestesia se utiliza para mezclar el gas respirable para los pacientes bajo anestesia durante la cirugía. El sistema de mezcla y suministro de gas permite al anestesista controlar la fracción de oxígeno, la concentración de óxido nitroso y la concentración de agentes anestésicos volátiles. [5] 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 medido se mezcla a presión ambiente, después de lo cual se pueden agregar agentes anestésicos adicionales mediante un vaporizador, y el gas se puede humidificar. 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. [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. Algunos ejemplos son la fusión de metales reactivos como el magnesio y el tratamiento térmico de aceros.
Las mezclas de gases de calibración generalmente se producen en lotes mediante métodos gravimétricos o volumétricos.
El método gravimétrico utiliza balanzas sensibles y calibradas con precisión para pesar las cantidades de gases que se añaden al cilindro. Se requiere una medición precisa, ya que la inexactitud o las impurezas pueden dar lugar a una calibración incorrecta. El recipiente para el gas de calibración debe estar lo más limpio posible. Los cilindros se pueden limpiar purgando con nitrógeno de alta pureza y luego se pueden aspirar. Para mezclas especialmente críticas, el cilindro se puede calentar mientras se aspira para facilitar la eliminación de las impurezas adheridas a las paredes. [7]
Después de llenar el recipiente, la mezcla de gases debe mezclarse completamente para garantizar que todos los componentes se distribuyan uniformemente en todo el recipiente y así evitar posibles variaciones en la composición dentro del mismo. Esto se hace habitualmente haciendo rodar el recipiente horizontalmente durante 2 a 4 horas. [7]
Existen varios métodos para mezclar gases, que pueden distinguirse como métodos discontinuos y procesos continuos.
La mezcla de gases por lotes requiere que se midan las cantidades adecuadas de los gases constituyentes y se mezclen hasta que la mezcla sea homogénea. Las cantidades se basan en las fracciones molares, pero se miden en volumen o en masa. La medición del volumen se puede realizar de forma indirecta mediante presión parcial, ya que los gases suelen decantarse secuencialmente en el mismo recipiente para mezclarlos y, por lo tanto, ocupan el mismo volumen. La medición del peso se utiliza generalmente como un indicador de la medición de la masa, ya que la aceleración suele considerarse constante.
La fracción molar también se denomina fracción de cantidad y es el número de moléculas de un componente 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 bares, cada uno ocupará 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 cuando se decantan en el mismo recipiente.
La fracción de masa se puede calcular a partir de la fracción molar multiplicando la fracción molar por la masa molecular de cada componente para hallar la masa de un componente y comparándola con las masas sumadas de todos los componentes. La masa real de cada componente necesaria para una mezcla se calcula multiplicando la fracción de masa por la masa deseada de la mezcla.
También se conoce como mezcla volumétrica. Debe realizarse a temperatura constante para lograr la máxima 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 habitualmente para respirar gases durante el buceo. La precisión necesaria para esta aplicación se puede lograr utilizando un manómetro que lea con precisión de 0,5 bar y permitiendo que la temperatura se equilibre después de añadir cada gas.
También se conoce como mezcla gravimétrica. La temperatura no la afecta demasiado y su precisión depende de la precisión de la medición de la masa de los componentes.
La mezcla de fracciones de masa se utiliza cuando es fundamental lograr una gran precisión en la mezcla, como en el caso de 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 con suministro desde la superficie y para muchos procesos químicos que utilizan mezclas de gases reactivos, en particular 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 componentes. 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 controlar la calidad. Esto es particularmente importante en el caso de las mezclas de gases respirables, en las que los errores pueden afectar la salud y la seguridad del usuario final.
El contenido de oxígeno es relativamente sencillo de controlar utilizando celdas electrogalvánicas , que se utilizan habitualmente en la industria del buceo submarino para este propósito, aunque otros métodos pueden ser más precisos y fiables.