Los análisis de gases en base húmeda y en base seca no pueden incorporarse indistintamente a un balance de materia. La composición en base húmeda incluye el vapor de agua en el gas total, mientras que el análisis Orsat en base seca excluye el agua después de la condensación o absorción. Dado que eliminar el agua cambia el denominador de cada fracción molar restante, los ingenieros deben convertir tanto la composición del gas como el caudal a una base común antes de calcular el rendimiento de la combustión, la conversión, las emisiones o los balances de energía.

Conclusión principal: Un resultado Orsat en base seca describe la composición del gas sin humedad, pero el caudal de chimenea normalmente representa el gas húmedo total. Por lo tanto, el contenido de agua debe medirse o calcularse por separado y utilizarse para conciliar la composición analítica con el balance de materia real.

Por qué difieren las dos bases de análisis

La composición en base húmeda incluye vapor de agua

Para una corriente de gas húmedo, las fracciones molares cumplen:

[ \sum_i y_{i,\text{húmedo}} + y_{\mathrm{H_2O},\text{húmedo}} = 1 ]

El agua puede proceder de la oxidación del hidrógeno del combustible, la evaporación de la humedad de la alimentación, la humidificación o el contacto con una corriente de proceso acuosa.

La composición en base seca excluye el agua

Un analizador Orsat normalmente elimina el agua condensable antes de medir componentes como dióxido de carbono, oxígeno y monóxido de carbono. Su composición informada cumple:

[ \sum_i y_{i,\text{seco}} = 1 ]

Por lo tanto, el resultado en base seca se normaliza sobre los gases restantes. Esto no indica que el agua estuviera ausente del gas de chimenea original.

La condensación cambia las concentraciones aparentes

Supongamos que el gas húmedo contiene un 10 % molar de agua y un 9 % molar de dióxido de carbono. En base seca, la concentración de dióxido de carbono se convierte en:

[ y_{\mathrm{CO_2},\text{seco}}

\frac{0.09}{1-0.10}

0.10 ]

La cantidad de dióxido de carbono no ha aumentado. Su porcentaje informado ha aumentado porque se eliminó el agua del denominador.

Cómo convertir las composiciones de los gases

Conversión de base húmeda a base seca

Si se conoce la fracción molar de agua en base húmeda, cada componente que no sea agua se convierte mediante:

[ y_{i,\text{seco}}

\frac{y_{i,\text{húmedo}}}{1-y_{\mathrm{H_2O},\text{húmedo}}} ]

Por ejemplo, si un gas de combustión húmedo contiene un 8 % molar de oxígeno y un 12 % de agua:

[ y_{\mathrm{O_2},\text{seco}}

\frac{0.08}{1-0.12}

0.0909 ]

La concentración de oxígeno correspondiente en base seca es aproximadamente del 9,09 % molar.

Conversión de base seca a base húmeda

Si se conocen la composición en base seca y la fracción de agua en base húmeda:

[ y_{i,\text{húmedo}}

y_{i,\text{seco}} \left(1-y_{\mathrm{H_2O},\text{húmedo}}\right) ]

Si se conoce en su lugar la relación molar agua-gas seco, (r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{seco}}), entonces:

[ y_{i,\text{húmedo}}

\frac{y_{i,\text{seco}}} {1+r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{seco}}} ]

La fracción de agua es:

[ y_{\mathrm{H_2O},\text{húmedo}}

\frac{r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{seco}}} {1+r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{seco}}} ]

Medición del contenido de agua

El contenido de agua puede obtenerse mediante una medición de humedad, la determinación del punto de rocío, un cálculo psicrométrico o una medición directa del condensado. El método debe corresponder al mismo punto de muestreo y a las mismas condiciones de operación que el análisis del gas.

Cómo cambia la distinción los balances de materia

El caudal molar total debe utilizar el denominador correcto

Sea (F_{\text{húmedo}}) el caudal molar total del gas húmedo y (F_{\text{seco}}) el caudal sin humedad. Entonces:

[ F_{\text{seco}}

F_{\text{húmedo}} \left(1-y_{\mathrm{H_2O},\text{húmedo}}\right) ]

[ F_{\text{húmedo}}

\frac{F_{\text{seco}}} {1-y_{\mathrm{H_2O},\text{húmedo}}} ]

Multiplicar directamente una composición Orsat en base seca por un caudal de chimenea húmedo produce caudales de componentes incorrectos. El resultado puede sobreestimar o subestimar las cantidades reales, dependiendo de la base utilizada para el caudal y la composición.

Los caudales de los componentes requieren una base coincidente

Para el componente (i):

[ \dot n_i

F_{\text{seco}}y_{i,\text{seco}}

F_{\text{húmedo}}y_{i,\text{húmedo}} ]

Ambas expresiones son equivalentes únicamente cuando la composición y el caudal total están expresados en bases coincidentes.

Esto es particularmente importante para el dióxido de carbono, el oxígeno, el nitrógeno y el monóxido de carbono, que suelen utilizarse para inferir la estequiometría de la combustión y el rendimiento del proceso.

Los balances de masa necesitan el agua como componente explícito

En un balance de combustión, el hidrógeno del combustible genera agua, mientras que la humedad también puede ingresar con el combustible o el aire de combustión. Por lo tanto, el caudal de agua de salida debe calcularse explícitamente:

[ \dot n_{\mathrm{H_2O,salida}}

\dot n_{\mathrm{H_2O,formada}} + \dot n_{\mathrm{H_2O,entrada}}

\dot n_{\mathrm{H_2O,condensada}} ]

Un análisis Orsat en base seca no mide directamente esta agua de salida. Omitirla puede producir un balance aparentemente cerrado únicamente al trasladar los errores a otros componentes o a los caudales de aire y combustible inferidos.

Los caudales basados en volumen también se ven afectados

A la misma temperatura y presión, el volumen del gas es proporcional al caudal molar total. En consecuencia, un volumen de chimenea húmedo y un volumen estándar seco no representan la misma cantidad de gas.

La conversión debe considerar tanto la eliminación de humedad como las condiciones de referencia especificadas. Informar, por ejemplo, una concentración de contaminante en base seca junto con un caudal volumétrico húmedo crea una incompatibilidad de bases en el cálculo del caudal másico de emisión.

Efectos en la combustión y la evaluación de la planta piloto

Cálculos del exceso de aire

La concentración de oxígeno se utiliza habitualmente para estimar el exceso de aire. El oxígeno Orsat en base seca es adecuado para un cálculo de combustión en base seca, pero debe combinarse con datos de dióxido de carbono, nitrógeno y monóxido de carbono en base seca, así como con un balance apropiado de gas seco.

Utilizar oxígeno húmedo con nitrógeno seco o dióxido de carbono seco produce un cálculo internamente inconsistente.

Aire teórico y predicción de los gases de combustión

Los requisitos de aire teórico se determinan a partir de la composición del combustible y la estequiometría, no de si el analizador informa sobre gas húmedo o seco. Sin embargo, las concentraciones medidas de los gases de combustión deben convertirse a la base seleccionada antes de compararlas con las predicciones teóricas.

La humedad afecta las concentraciones aparentes de oxígeno y dióxido de carbono y, por lo tanto, puede distorsionar la fuga de aire, la conversión del combustible o la integridad de la combustión inferidas.

Emisiones contaminantes

Las concentraciones de contaminantes pueden informarse en base húmeda, base seca o en una base corregida al oxígeno de referencia. La base de información debe indicarse porque la concentración numérica cambia cuando se elimina el agua.

Para lograr una comparación significativa entre ensayos piloto o con los límites reglamentarios, utilice la misma corrección de humedad, corrección de oxígeno, temperatura, presión y referencia de caudal para cada resultado.

Balances de energía y entalpía

El agua tiene un efecto considerable en la entalpía de la corriente de gas porque puede estar presente como vapor, condensado líquido o ambos. Una composición seca por sí sola es insuficiente para calcular la entalpía real del gas húmedo.

El balance de energía debe incluir el caudal de agua y su estado termodinámico, incluidos los efectos del calor sensible y, cuando corresponda, del calor latente.

Cómo elegir una base de cálculo coherente

Establezca primero la base del proceso

Para una planta piloto continua, suele ser conveniente una base como una hora de operación. Para una operación por lotes, la base puede ser una carga o un lote completo.

La base debe definirse antes de convertir los datos analíticos, de modo que todas las corrientes de entrada, salida, condensadas y reaccionadas se contabilicen de manera coherente.

Utilice balances elementales para sistemas reactivos

La combustión es una operación reactiva, por lo que un balance molar total simple generalmente no es suficiente. Los balances de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, junto con la estequiometría de la reacción y la conversión medida, proporcionan el marco correcto.

La conversión entre base húmeda y seca proporciona composiciones coherentes de las corrientes; no sustituye al balance de reacción.

Trate la condensación como una corriente separada cuando sea necesario

Si el agua se condensa en un enfriador, una línea de muestreo, un intercambiador de calor o un depurador situado aguas abajo, el condensado debe incluirse como una corriente de salida. Un resultado del analizador en base seca puede reflejar el gas después de la condensación, en lugar de la composición del gas en la salida del proceso.

Esta distinción es importante cuando el límite del balance de materia incluye el equipo de muestreo o enfriamiento.

Comprensión de las ventajas y desventajas

El análisis en base seca es más fácil de comparar

El análisis en base seca es útil porque elimina un componente muy variable. Los analizadores de gases que funcionan a través de agua o soluciones acuosas también tienden a producir mediciones que son efectivamente libres de humedad.

Esto hace que los datos secos sean prácticos para comparar las condiciones de combustión, siempre que el contenido de agua se conserve por separado.

El análisis en base seca no describe la corriente completa de la chimenea

Un resultado Orsat en base seca no puede determinar por sí solo el caudal total de gas húmedo, la descarga de agua, la entalpía del gas húmedo ni el balance completo de hidrógeno. Estas cantidades requieren una medición independiente de la humedad o un cálculo de proceso justificado.

Tratar el resultado seco como un análisis completo de la chimenea es una fuente común de errores en el balance de materia.

Las mediciones de humedad introducen incertidumbre

La fracción de agua puede variar con la temperatura, la presión, las fugas de aire, la humedad de la alimentación y la condensación en las líneas de muestreo. Por lo tanto, las mediciones de humedad inexactas o realizadas en una ubicación inadecuada pueden crear una incertidumbre significativa en los caudales convertidos y las emisiones.

Los sistemas de muestreo deben evitar la condensación no prevista cuando el objetivo sea caracterizar el gas de proceso, o contabilizarla explícitamente cuando el objetivo sea caracterizar el gas que llega al analizador.

Los errores de base pueden parecer cambios del proceso

Un cambio en el oxígeno o dióxido de carbono informado puede deberse a un cambio en el contenido de humedad y no a un cambio en las condiciones de combustión. Comparar un resultado húmedo de una prueba con un resultado seco de otra puede sugerir falsamente cambios en el exceso de aire, la conversión o el rendimiento del reactor.

La base, las condiciones de referencia, el punto de muestreo y la corrección de humedad deben acompañar cada composición de gas informada.

Cómo aplicar esto a su planta piloto

El procedimiento más fiable consiste en seleccionar una base, convertir a ella todas las mediciones de gases y, a continuación, realizar los balances de materia y energía.

Si su prioridad principal es el cierre del balance de materia: Calcule los caudales de los componentes a partir de bases coincidentes de caudal total y composición, e incluya el vapor de agua y cualquier condensado como corrientes explícitas.
Si su prioridad principal es la eficiencia de combustión: Utilice los datos Orsat en base seca con un balance estequiométrico de gas seco, aplicando por separado el contenido de humedad medido para recuperar los caudales húmedos y el balance de hidrógeno.
Si su prioridad principal es el monitoreo de contaminantes: Indique si las concentraciones están en base húmeda o seca y estandarice las correcciones de humedad, oxígeno, temperatura, presión y caudal volumétrico.
Si su prioridad principal es el rendimiento energético: Convierta el análisis seco en una corriente completa de gas húmedo e incluya el vapor de agua o el condensado en el cálculo de entalpía.
Si su prioridad principal es comparar ensayos piloto: Mantenga constantes la base analítica y las condiciones de referencia, o convierta todos los ensayos a la misma base antes de extraer conclusiones.

La conversión entre bases húmeda y seca no es un ajuste cosmético de los informes; es el paso que hace compatible el análisis de gases con un balance de planta piloto físicamente correcto.

Tabla resumen:

Área clave	Enfoque requerido	Riesgo de incompatibilidad de bases
Composición del gas	Convertir las fracciones molares húmedas y secas a una base común	Porcentajes incorrectos de los componentes
Caudal	Relacionar el caudal total húmedo o seco con la composición correspondiente	Caudales incorrectos de los componentes
Balance de agua	Incluir la formación de vapor, la humedad de entrada y el condensado	Balance de hidrógeno incompleto
Análisis de combustión	Utilizar datos Orsat secos con un balance estequiométrico coherente de gas seco	Resultados distorsionados del exceso de aire
Emisiones	Estandarizar las referencias de humedad, oxígeno, temperatura, presión y caudal	Comparaciones engañosas de emisiones
Balance de energía	Contabilizar el vapor de agua, el condensado, el calor sensible y el calor latente	Cálculos inexactos de entalpía

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