Utilice la presión absoluta para los cálculos de la ley de los gases y asocie siempre las condiciones de temperatura y presión a un volumen de gas. Un manómetro de planta piloto normalmente indica la presión manométrica, por lo que debe convertirla utilizando (P_\text{abs}=P_\text{manométrica}+P_\text{atm}). Al informar o comparar caudales de gas, convierta el gas a las condiciones estándar (C.E.) establecidas, comúnmente (0^\circ\text{C}) y (1.0\ \text{atm}), en lugar de tratar los volúmenes reales y estándar como intercambiables.

La regla fundamental es: utilice presión absoluta y temperatura absoluta en las ecuaciones de la ley de los gases, e identifique si cada caudal es un flujo real o un flujo estándar.

Por qué la presión debe convertirse a presión absoluta

La presión manométrica es relativa a la atmósfera

Un indicador de presión o manómetro suele marcar cero cuando el equipo está abierto a la atmósfera circundante. Por lo tanto, su lectura es presión manométrica, no presión total.

La presión absoluta se mide desde un vacío perfecto y es la presión requerida en (pV=nRT).

La conversión a presión absoluta

Utilice:

[ P_\text{abs}=P_\text{manométrica}+P_\text{atm} ]

A la presión atmosférica estándar al nivel del mar:

[ P_\text{atm}=14.70\ \text{psi}=1.0\ \text{atm}=760\ \text{mm Hg} ]

Por ejemplo, una lectura de manómetro de (20.0\ \text{psig}) corresponde aproximadamente a:

[ P_\text{abs}=20.0+14.70=34.70\ \text{psia} ]

El resultado debe etiquetarse como psia, no psig.

La presión atmosférica local puede variar

El valor de (14.70\ \text{psi}) es una referencia estándar al nivel del mar. Para un trabajo preciso en plantas piloto, utilice la presión atmosférica en las instalaciones cuando esté disponible, especialmente en ubicaciones elevadas o durante condiciones climáticas cambiantes.

Cómo definen las condiciones estándar el volumen de gas

El volumen de gas depende de la temperatura y la presión

A diferencia del volumen de un líquido, el volumen de un gas puede cambiar sustancialmente a medida que cambian la presión y la temperatura de operación. Un valor reportado como (2\ \text{m}^3) está incompleto a menos que también se indiquen su temperatura y presión.

Por lo tanto, un flujo de gas puede reportarse como:

Flujo volumétrico real: volumen a la presión y temperatura de operación del equipo.
Flujo volumétrico estándar: volumen convertido a una condición de referencia acordada.
Flujo molar: cantidad de gas por unidad de tiempo, como (\text{mol/s}) o (\text{kg-mol/h}).

La referencia de C.E.

Para la convención en el material de referencia, C.E. significa:

[ T_\text{CE}=0^\circ\text{C}=273.16\ \text{K} ]

[ P_\text{CE}=1.0\ \text{atm}=760\ \text{mm Hg} ]

Diferentes organizaciones pueden definir las condiciones "estándar" o "normales" de manera ligeramente distinta. Por lo tanto, la referencia seleccionada debe indicarse en los procedimientos de laboratorio, hojas de datos e informes.

Volumen molar estándar

En la referencia de C.E. establecida, un gramo-mol de un gas ideal ocupa aproximadamente:

[ V_{m,\text{CE}}=22.414\ \text{L/g-mol} ]

Las unidades de ingeniería equivalentes son:

[ 22.4146\ \text{m}^3/\text{kg-mol} ]

[ 359.05\ \text{ft}^3/\text{lb-mol} ]

Estos valores permiten convertir un flujo volumétrico estándar a flujo molar.

Conversión entre flujo real y estándar

Conversión de gas ideal

Para un gas medido en condiciones de operación y convertido a C.E., utilice:

[ Q_\text{CE}

Q_\text{real} \left(\frac{P_\text{abs}}{P_\text{CE}}\right) \left(\frac{T_\text{CE}}{T_\text{real}}\right) ]

Todas las presiones deben ser absolutas y todas las temperaturas deben ser absolutas.

La conversión inversa es:

[ Q_\text{real}

Q_\text{CE} \left(\frac{P_\text{CE}}{P_\text{abs}}\right) \left(\frac{T_\text{real}}{T_\text{CE}}\right) ]

Estas relaciones se derivan de la ecuación de gas ideal para una cantidad fija de gas.

Por qué la presión manométrica produce un resultado incorrecto

Si la presión manométrica se inserta directamente en la relación de presión, el cálculo trata efectivamente la presión atmosférica como cero. Esto puede producir un error grande, especialmente cuando la presión de operación está cerca de la presión atmosférica.

Por ejemplo, un sistema a (5\ \text{psig}) no está a (5\ \text{psi}) absolutos. Su presión absoluta aproximada es:

[ 5+14.70=19.70\ \text{psia} ]

Usar (5) en lugar de (19.70\ \text{psi}) subestimaría sustancialmente la presión del gas y distorsionaría el flujo estándar calculado.

Conversión de flujo estándar a flujo molar

Una vez que el flujo se expresa en C.E.:

[ \dot n

\frac{Q_\text{CE}}{V_{m,\text{CE}}} ]

Por ejemplo, usando unidades consistentes:

[ \dot n;(\text{kg-mol/tiempo})

\frac{Q_\text{CE};(\text{m}^3/\text{tiempo})} {22.4146\ \text{m}^3/\text{kg-mol}} ]

El flujo másico se obtiene entonces de:

[ \dot m=\dot n M ]

donde (M) es el peso molecular en unidades compatibles.

Aplicación de las reglas a las mediciones en plantas piloto

Los balances de materia requieren una base común

Las corrientes de gas que entran y salen de un absorbedor, separador, reactor o unidad de combustión pueden medirse a diferentes presiones y temperaturas. Comparar sus volúmenes reales directamente puede sugerir falsamente un desequilibrio de materia.

Convierta cada corriente a una base común (generalmente flujo molar o flujo volumétrico estándar) antes de realizar el balance.

La velocidad en tuberías utiliza el flujo volumétrico real

Para una tubería de área de sección transversal (A):

[ Q_\text{real}=A\bar v ]

donde (\bar v) es la velocidad media del gas.

El flujo utilizado para los cálculos de velocidad y dimensionamiento de tuberías debe representar el volumen de gas en las condiciones reales de la tubería. Un flujo estándar debe convertirse primero a flujo real utilizando la presión y temperatura absoluta de operación.

La densidad también depende de las condiciones de operación

Para un gas ideal, la densidad cambia con la presión y la temperatura. Aumenta con la presión absoluta y disminuye con la temperatura absoluta.

Por lo tanto, una densidad de gas utilizada en un número de Reynolds, un cálculo de caída de presión o un cálculo de dimensionamiento de equipos debe estar vinculada a las condiciones de operación locales, no simplemente a las C.E.

Indique claramente cada flujo reportado

Un registro de datos completo debe identificar:

Base del flujo: real o estándar.
Base de presión: absoluta o manométrica.
Temperatura.
Unidades de presión.
Convención de condiciones estándar, si corresponde.
Composición del gas o peso molecular.

Etiquetas como SCFM, m³/h estándar, ACFM o m³/h a 1.2 bar y (150^\circ\text{C}) son mucho más útiles que un número volumétrico sin etiquetar.

Comprensión de las compensaciones

Los cálculos de gas ideal son convenientes pero condicionales

La relación de gas ideal es generalmente adecuada para muchos cálculos de flujo de gas a baja presión y alta temperatura. Es particularmente útil para plantas piloto educativas porque hace que los balances de materia y las conversiones de flujo sean transparentes.

Sin embargo, no debe tratarse como universalmente precisa.

La alta presión puede requerir correcciones de gas real

A alta presión o pequeño volumen molar, las fuerzas intermoleculares y el volumen molecular se vuelven importantes. La ecuación de gas ideal puede sobreestimar el volumen real, a veces sustancialmente.

Para cálculos exigentes, utilice una ecuación de estado de gas real adecuada o un factor de compresibilidad (Z), en lugar de confiar únicamente en (pV=nRT).

El flujo estándar es útil pero no es una condición directa del equipo

Los caudales estandarizados hacen que los datos experimentales sean comparables entre laboratorios y períodos operativos. Son especialmente útiles para especificaciones de alimentación de gas, balances de materia e informes.

No describen directamente el volumen ocupado dentro de un reactor o tubería. Los cálculos de equipos requieren la presión, temperatura, composición y, cuando sea necesario, el comportamiento de gas real reales.

Las convenciones de condiciones estándar pueden diferir

El término "C.E." no es completamente universal en todas las industrias y laboratorios. Una diferencia en la temperatura o presión de referencia cambia el volumen estándar indicado.

La práctica más segura es escribir la referencia numérica explícitamente en lugar de informar solo "condiciones estándar".

Cómo aplicar esto a su planta piloto

Utilice el siguiente flujo de trabajo para los cálculos de flujo y volumen de gas:

Si su enfoque principal es la precisión de la ley de los gases: Convierta cada lectura manométrica a presión absoluta y utilice la temperatura absoluta en todas las ecuaciones.
Si su enfoque principal son los balances de materia: Convierta las corrientes de gas de entrada y salida a flujo molar o a una base volumétrica estándar común antes de compararlas.
Si su enfoque principal es el dimensionamiento de tuberías o la velocidad: Utilice el flujo volumétrico real a la presión y temperatura de operación de la tubería, no solo el flujo estándar.
Si su enfoque principal es la comparación de datos: Reporte el flujo estándar junto con la temperatura y presión de C.E. exactas utilizadas.
Si su enfoque principal es la operación a alta presión: Verifique la validez del gas ideal y aplique correcciones de gas real cuando las desviaciones sean significativas.

Tratar la presión, la temperatura y la base de flujo como partes inseparables de cada medición de gas hace que los cálculos de la planta piloto sean reproducibles, comparables y físicamente significativos.

Tabla resumen:

Necesidad de cálculo	Base correcta	Regla clave
Cálculos de ley de gases	Presión y temperatura absolutas	Use psia, no psig, y Kelvin o Rankine.
Conversión de presión	Presión absoluta	`P_abs = P_manométrica + P_atm`
Conversión de flujo estándar	Presión y temperatura absolutas	`Q_CE = Q_real (P_abs/P_CE) (T_CE/T_real)`
Balances de materia	Flujo molar o estándar común	Convierta las corrientes de entrada y salida a la misma base.
Velocidad y dimensionamiento de tuberías	Flujo volumétrico real	Use la presión y temperatura dentro de la tubería.
Densidad y caída de presión	Condiciones de operación locales	Tenga en cuenta la presión, temperatura y composición del gas reales.
Sistemas de alta presión	Modelo de gas real cuando sea necesario	Aplique un factor de compresibilidad o una ecuación de estado adecuada.
Informes	Base de flujo claramente definida	Indique el flujo real o estándar, presión, temperatura y convención de C.E.

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