Thermodynamic characterization by speed of sound of binary and multicomponent mixtures of interest for the gas industry

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.Departamento de Ingeniería Energética y FluidomecánicaDoctorado en Investigación en Ingeniería Termodinámica de Fluido