La diferencia clave es el denominador: en una corriente de gas, ppm suele expresar una fracción molar o fracción volumétrica, mientras que en una corriente líquida suele expresar una fracción másica. Por lo tanto, 1 ppm en un gas ideal significa 1 mol de contaminante por millón de moles de gas, aproximadamente equivalente a 1 unidad de volumen por millón de unidades de volumen. En un líquido, 1 ppm generalmente significa 1 miligramo de soluto por kilogramo de solución, y a menudo se aproxima como 1 miligramo por litro para soluciones diluidas similares al agua.
El ppm en fase gaseosa es fundamentalmente molar o volumétrico; el ppm en fase líquida es fundamentalmente másico. Esta distinción afecta a las conversiones de concentración, la calibración de sensores, los balances de masa y los cálculos de rendimiento en plantas piloto.
Por qué el mismo valor de ppm significa cosas diferentes
El ppm en fase gaseosa representa una relación molar o volumétrica
Para los gases, el ppm se define comúnmente como:
[ \text{ppm}{\text{gas}} = \frac{n_i}{n{\text{total}}} \times 10^6 ]
donde (n_i) es la cantidad del componente gaseoso monitoreado y (n_{\text{total}}) es la cantidad total de gas.
Debido a que volúmenes iguales de gases ideales a la misma temperatura y presión contienen el mismo número de moles, el ppm en fase gaseosa también puede reportarse como una relación de volumen:
[ 1\ \text{ppm} \approx 1\ \mu\text{L/L} ]
Por ejemplo, 50 ppm de un compuesto orgánico volátil en el aire indican aproximadamente 50 moles, o 50 unidades de volumen, de ese compuesto por millón de unidades equivalentes de la mezcla gaseosa.
El ppm en fase líquida representa una relación másica
Para los líquidos, el ppm normalmente se interpreta como:
[ \text{ppm}{\text{líquido}} = \frac{m_i}{m{\text{solución}}} \times 10^6 ]
Esto es equivalente a miligramos de soluto por kilogramo de solución:
[ 1\ \text{ppm} = 1\ \text{mg/kg} ]
En sistemas acuosos diluidos, los ingenieros a menudo utilizan:
[ 1\ \text{ppm} \approx 1\ \text{mg/L} ]
Esa aproximación asume que la densidad de la solución es cercana a (1\ \text{kg/L}). Se vuelve menos precisa para soluciones concentradas, líquidos orgánicos densos, lodos o sistemas con densidades sustancialmente diferentes.
Cómo la fase cambia los cálculos de concentración
La concentración de gas depende de la presión, la temperatura y los moles totales
El flujo volumétrico de gas puede cambiar a medida que avanza una reacción o cuando varían la presión y la temperatura. Para una mezcla gaseosa reactiva, una relación representativa es:
[ v = v_0(1+\varepsilon X)\frac{P_0}{P}\frac{T}{T_0} ]
donde (X) es la conversión y (\varepsilon) describe el cambio fraccional en los moles totales.
En consecuencia, la concentración de gas no siempre puede deducirse solo de la conversión. Una expresión adecuada es:
[ C_A = C_{A0} \frac{1-X}{1+\varepsilon X} \frac{P}{P_0} \frac{T_0}{T} ]
Esto es importante al interpretar lecturas de ppm de columnas de desorción por aire (air-stripping), sistemas de combustión, absorbedores de gas y plantas piloto de lavado de gases de combustión.
La concentración de líquido suele ser más simple sobre una base másica
Para muchos sistemas en fase líquida diluida, el flujo volumétrico se trata como aproximadamente constante:
[ v \approx v_0 ]
Bajo esa suposición, la concentración de un reactivo puede representarse como:
[ C_A = C_{A0}(1-X) ]
El significado másico del ppm permanece estable incluso cuando el líquido se bombea a través de diferentes operaciones unitarias, siempre que se contabilicen adecuadamente la evaporación, dilución, precipitación y los cambios de densidad.
Qué significa esto para el monitoreo de plantas piloto
Los sensores analíticos deben usar una calibración adecuada a la fase
Un analizador de gas calibrado en ppm puede reportar una concentración molar o volumétrica, como ppmv. Un analizador de líquidos puede reportar una concentración másica, como mg/L, incluso cuando su pantalla simplemente dice ppm.
Por lo tanto, la especificación del instrumento debe identificar la base explícitamente: ppmv, ppmw, mg/L, mg/kg, o una concentración molar como mol/m³.
Los balances de masa requieren conversión a una base común
El ppm en fase gaseosa generalmente debe combinarse con el flujo molar o másico total antes de calcular la carga de contaminante:
[ \dot n_i = y_i\dot n_{\text{total}} ]
El ppm en fase líquida debe combinarse con el flujo másico o volumétrico del líquido, dependiendo de la base de reporte:
[ \dot m_i = w_i\dot m_{\text{solución}} ]
Por lo tanto, comparar directamente los valores numéricos de ppm entre corrientes de gas y líquido puede ser engañoso. Una corriente de gas a 100 ppm y una corriente de líquido a 100 ppm no contienen necesariamente cantidades comparables de contaminante.
El equipo gas-líquido requiere ambas interpretaciones de fase
En contactores gas-líquido, la concentración del lado del gas puede reportarse como una fracción molar o volumétrica, mientras que la concentración del lado del líquido se reporta como una concentración másica. Los cálculos de absorción, desorción y lavado requieren que estos valores se conviertan en cantidades molares, másicas o de equilibrio compatibles.
La transferencia de masa también está influenciada por propiedades de transporte específicas de cada fase. La difusión es generalmente más rápida en gases que en líquidos, mientras que la resistencia del lado del líquido a menudo puede ser importante en operaciones de transferencia de masa gas-líquido.
Conversión entre ppm de gas y líquido
El ppm de gas se puede convertir usando el peso molecular y las condiciones operativas
Para convertir una fracción molar en fase gaseosa a una concentración másica, se deben incluir el peso molecular del contaminante y de la mezcla gaseosa. El resultado también depende de la temperatura y la presión, ya que el volumen molar del gas cambia con las condiciones de operación.
Por lo tanto, una lectura de gas no debe convertirse usando una relación fija de mg/L a menos que la temperatura de referencia, la presión y la composición del gas estén claramente definidas.
El ppm de líquido se puede convertir usando la densidad
Para un líquido:
[ C_{\text{mg/L}} = C_{\text{mg/kg}}\rho_{\text{solución}} ]
con la conversión de unidades adecuada para la densidad. Si la densidad es (1\ \text{kg/L}), entonces 1 mg/kg corresponde aproximadamente a 1 mg/L.
Para líquidos no acuosos o concentrados, usar la densidad real de la solución evita introducir un error significativo.
El peso molecular importa al comparar el rendimiento molar
Si el objetivo es comparar el rendimiento de reacción, eliminación o transferencia entre fases, las concentraciones basadas en masa y en moles deben colocarse sobre una base común. La conversión requiere el peso molecular del contaminante:
[ C_{\text{mol}} = \frac{C_{\text{masa}}}{M} ]
donde (M) es el peso molecular en unidades consistentes.
Entendiendo las compensaciones
El término ppm por sí solo no es suficientemente específico
“100 ppm” es un reporte técnico incompleto a menos que se conozca la base. Puede significar 100 ppmv en un gas, 100 ppmw en un líquido, o aproximadamente 100 mg/L en agua diluida.
Los registros de la planta piloto deben indicar la base de concentración, la temperatura, la presión cuando sea relevante, y si el valor se refiere al soluto, a una especie química particular o a una concentración equivalente.
La aproximación del agua puede fallar
Tratar el ppm de líquido como mg/L es conveniente pero condicional. Las diferencias de densidad, las sales disueltas, los sólidos en suspensión y las altas concentraciones de solutos pueden hacer que los mg/L sean materialmente diferentes de los mg/kg.
Para balances de masa precisos, utilice la densidad real de la solución y mantenga la definición basada en masa.
Las condiciones cambiantes pueden distorsionar las lecturas de gas
El ppm en fase gaseosa puede permanecer como una fracción molar mientras que la concentración másica correspondiente cambia con la presión y la temperatura. Un sensor que reporta ppm sobre una base de gas seco también puede diferir de uno que reporta sobre una base de gas húmedo.
Estas convenciones de reporte deben alinearse antes de evaluar la eficiencia de eliminación o comparar mediciones de diferentes condiciones operativas.
Tomando la decisión correcta para su objetivo
Utilice la base de reporte que coincida con la fase física y el cálculo que se está realizando.
- Si su enfoque principal es el monitoreo de corrientes de gas: Interprete el ppm como una fracción molar o volumétrica, y registre si el resultado es ppmv, base seca o húmeda, y a qué temperatura y presión.
- Si su enfoque principal es el monitoreo de corrientes líquidas: Interprete el ppm como mg/kg por defecto, usando mg/L solo cuando las suposiciones de solución diluida y densidad estén justificadas.
- Si su enfoque principal son los balances de masa: Convierta las mediciones de gas y líquido a una base común de flujo molar o másico antes de comparar las corrientes.
- Si su enfoque principal es la calibración de sensores: Haga coincidir el estándar de calibración del instrumento con la base reportada y verifique la influencia de la presión, la temperatura, la humedad y la densidad de la solución.
- Si su enfoque principal es el rendimiento del reactor o contactor: Tenga en cuenta la expansión o contracción del gas y la dilución, evaporación o cambios de densidad del líquido antes de calcular la concentración o la conversión.
Una vez que la base de ppm es explícita, las mediciones específicas de fase se convierten en entradas confiables para la calibración, los balances de masa y las decisiones de diseño de la planta piloto.
Tabla resumen:
| Aspecto | Fase gaseosa | Fase líquida |
|---|---|---|
| Base típica | Fracción molar o fracción volumétrica | Fracción másica |
| Unidades comunes | ppmv, a menudo base seca o húmeda | ppmw, mg/kg, o aproximadamente mg/L |
| Variables clave | Temperatura, presión, humedad y flujo total de gas | Densidad, dilución, evaporación, sólidos y concentración de la solución |
| Necesidades de conversión | Peso molecular, temperatura, presión y composición del gas | Densidad real de la solución y peso molecular cuando sea necesario |
| Prioridad de monitoreo | Identificar la base ppmv y las condiciones operativas | Confirmar si el ppm significa mg/kg o mg/L |
| Uso en balance de masa | Combinar fracción molar con flujo molar o másico total | Combinar concentración másica con flujo másico o volumétrico |
| Precaución principal | Valores numéricos de ppm iguales pueden representar cargas de contaminante diferentes | La aproximación mg/L puede fallar para líquidos densos o concentrados |
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