Caracterización termodinámica por velocidad del sonido de mezclas binarias y multicomponentes de interés para la industria del gas

Abstract

La presente tesis pretende proporcionar datos experimentales precisos en forma de velocidad del sonido de mezclas binarias y multicomponentes de gran relevancia para la industria del gas natural mediante una técnica de resonancia acústica. Estos datos tienen por objeto evaluar el comportamiento y la incertidumbre de los modelos termodinámicos de referencia actuales necesarios para el diseño y control de las etapas de extracción, transporte, almacenamiento y transmisión de mezclas tipo gas natural, así como el de proporcionar nuevos datos como entrada de nuevas correlaciones para mejorar estos modelos. Esta investigación proporciona datos precisos y de amplio rango de la velocidad del sonido mediante un resonador acústico esférico de dos mezclas binarias (CH4 + He) con un contenido nominal de helio del (5 y 10) % a presiones p = (0.5 hasta 20) MPa y temperaturas T = (273.16, 300, 325, 350 y 375) K con una incertidumbre relativa global expandida (k = 2) de 230 partes por millón; de tres mezclas binarias (CH4 + H2) de (5, 10 y 50) % de contenido nominal de hidrógeno en el rango de presiones p = (0.5 a 20) MPa y temperaturas T = (273.16, 300, 325, 350 y 375) K con una incertidumbre relativa global expandida (k = 2) de 220 partes por millón; de una mezcla de biogás cuaternario sintético (CH4 + N2 + CO2 + CO) a p = (1 a 12) MPa y T = (273, 300 y 325) K con una incertidumbre relativa expandida (k = 2) de 165 partes por millón y de tres biogases multicomponentes procedentes de una planta de biometanización de vertedero denominados biogás bruto, biogás lavado y biometano a temperaturas T = (273, 300 y 325) K y presiones de hasta 1.0 MPa con una incertidumbre relativa expandida (k = 2) de 326 partes por millón. Además, durante la realización de esta tesis, el Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología (CODATA) llevó a cabo un nuevo ajuste especial de las constantes universales para la redefinición del Sistema Internacional de Unidades (SI). Nuestro laboratorio contribuyó a este proyecto con una nueva determinación de la constante de gas molar R para la redefinición del kelvin. Para ello, se diseñó una nueva cavidad recubierta en oro para reducir hasta un 39.2 % la contribución de la incertidumbre debida al radio inteno de la cavidad acústica y, finalmente, se obtuvo un valor de R = (8.314449 ± 0.000056) J·K-1-mol-1. El resultado se tomó como dato de entrada en el ajuste del CODATA de 2017 con una incertidumbre estándar relativa de 6.7 partes por millón. Los resultados se han ajustado a la ecuación acústica del virial, obteniendo los coeficientes adiabáticos γpg, capacidades caloríficas isocóricas CVpg, y capacidades caloríficas isobáricas Cppg como gas ideal, a la vez que los segundo βa y tercero γa coeficientes acústicos del virial. Adicionalmente, se han analizado el segundo coeficiente del virial en densidad B(T) y el segundo coeficiente del virial en densidad de interacción B12(T) derivados de los datos de la velocidad del sonido mediante una regresión a dos formas diferentes de potencial intermolecular: el potencial de núcleo duro y pozo cuadrado y el potencial de Lennard-Jones. Los hallazgos experimentales se han comparado con los modelos de referencia para mezclas multicomponentes similares al gas natural, las ecuaciones de estado AGA8-DC92 y GERG-2008, y con los datos de la bibliografía cuando estaban disponibles.